10, 000 gange hurtigere beregninger af kvantedynamik med mange legemer muligt

Hvordan opfører en elektron sig i et atom, eller hvordan det bevæger sig i et fast stof, kan forudsiges præcist med kvantemekanikkens ligninger. Disse teoretiske beregninger stemmer fuldt ud overens med resultaterne fra forsøg. Men komplekse kvantesystemer, som indeholder mange elektroner eller elementarpartikler - såsom molekyler, faste stoffer eller atomkerner - kan i øjeblikket ikke beskrives nøjagtigt, selv med de mest kraftfulde computere, der findes i dag. De underliggende matematiske ligninger er for komplekse, og beregningskravene er for store. Et team ledet af professor Michael Bonitz fra Institute of Theoretical Physics and Astrophysics ved Kiel University (CAU) har nu haft succes med at udvikle en simuleringsmetode, som muliggør kvantemekaniske beregninger op til omkring 10, 000 gange hurtigere end tidligere muligt. De har offentliggjort deres resultater i det aktuelle nummer af det anerkendte videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Selv med ekstremt kraftfulde computere, kvantesimuleringer tager for lang tid

Kiel-forskernes nye procedure er baseret på en af ​​de mest kraftfulde og alsidige simuleringsteknikker til kvantemekaniske mangekropssystemer. Den anvender metoden til såkaldte nonequilibrium Green-funktioner:dette gør det muligt at beskrive bevægelser og komplekse interaktioner mellem elektroner med meget høj nøjagtighed, selv i en længere periode. Imidlertid, til dato er denne metode meget computerintensiv:for at forudsige udviklingen af ​​kvantesystemet over en ti gange længere periode, en computer kræver tusind gange mere behandlingstid.

Med det matematiske trick for at indføre en ekstra hjælpevariabel, fysikerne på CAU er nu lykkedes med at omformulere de primære ligninger for ikke -ligevægt Grønne funktioner, således at beregningstiden kun stiger lineært med procesvarigheden. Dermed, en ti gange længere forudsigelsesperiode kræver kun ti gange mere computertid. I sammenligning med de tidligere anvendte metoder, fysikerne opnåede en accelerationsfaktor på cirka 10, 000. Denne faktor stiger yderligere ved længere processer. Da den nye tilgang kombinerer to grønne funktioner for første gang, det kaldes "G1-G2 metode."

Midlertidig udvikling af materielle egenskaber forudsigelig for første gang

Den nye beregningsmodel for Kiel -forskerteamet sparer ikke kun dyr computertid, men giver også mulighed for simuleringer, som tidligere har været helt umulige. "Vi blev selv overraskede over, at denne dramatiske acceleration også kan demonstreres i praktiske applikationer, "forklarede Bonitz. F.eks. det er nu muligt at forudsige, hvordan visse egenskaber og effekter i materialer såsom halvledere udvikler sig over en længere periode. Bonitz er overbevist:"Den nye simuleringsmetode er anvendelig på mange områder af kvante-mange-kropsteori, og vil muliggøre kvalitativt nye forudsigelser, såsom om atoms adfærd, molekyler, tætte plasmaer og faste stoffer efter excitation ved intens laserstråling. "