Kenji Ohmori (Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences, Japan) och en grupp medarbetare har utvecklat världens snabbaste simulator för den kvantmekaniska dynamiken hos ett stort antal partiklar som interagerar med varandra inom en miljarddels sekund.

Dynamiken i interaktioner mellan ett stort antal elektroner styr en mängd viktiga fysikaliska och kemiska fenomen, inklusive supraledning, magnetism och kemiska reaktioner. En ensemble av många partiklar som således interagerar med varandra kallas ett "starkt korrelerat system". Att förstå egenskaperna hos starkt korrelerade system är således ett av de centrala målen för modern vetenskap. Det är extremt svårt, dock, att teoretiskt förutsäga egenskaperna hos ett starkt korrelerat system även med den japanska post-K superdatorn, som planeras vara färdigt år 2020.

Till exempel, post-K kan inte ens beräkna den exakta energin, materiens mest grundläggande egenskap, när antalet partiklar i systemet är mer än 30. Istället för att beräkna med en klassisk dator som post-K, ett alternativt koncept, en "kvantsimulator, " har föreslagits, där kvantmekaniska partiklar såsom atomer sätts samman till ett artificiellt starkt korrelerat system vars egenskaper är kända och kontrollerbara. Det senare används sedan för att simulera och förstå egenskaperna hos ett annat starkt korrelerat system vars egenskaper inte är kända.

Teamet har nu utvecklat en helt ny kvantsimulator för dynamiken i ett starkt korrelerat system med mer än 40 atomer inom en miljarddels sekund. Detta har förverkligats genom att introducera ett nytt tillvägagångssätt där en ultrakort laserpuls med en pulsbredd på endast 100 miljarddels sekund används för att styra en ensemble med hög densitet av atomer kylda till temperaturer nära absolut noll. Vidare, de har lyckats simulera elektronernas rörelse i detta starkt korrelerade system som moduleras genom att förändra styrkan i interaktioner mellan många atomer i ensemblen.

Denna "ultrasnabba kvantsimulator" förväntas fungera som ett grundläggande verktyg för att undersöka ursprunget till materiens fysikaliska egenskaper inklusive magnetism och, eventuellt, supraledning.

Detta resultat kommer att publiceras i Naturkommunikation den 16 november 2016.