Hur en elektron beter sig i en atom, eller hur den rör sig i ett fast, kan förutsägas exakt med kvantmekanikens ekvationer. Dessa teoretiska beräkningar överensstämmer helt med resultaten från experiment. Men komplexa kvantsystem, som innehåller många elektroner eller elementarpartiklar – som molekyler, fasta ämnen eller atomkärnor – kan för närvarande inte beskrivas exakt, även med de mest kraftfulla datorerna som finns idag. De underliggande matematiska ekvationerna är för komplexa, och beräkningskraven är för stora. Ett team under ledning av professor Michael Bonitz från Institutet för teoretisk fysik och astrofysik vid Kiel University (CAU) har nu lyckats utveckla en simuleringsmetod, som möjliggör kvantmekaniska beräkningar upp till cirka 10, 000 gånger snabbare än tidigare möjligt. De har publicerat sina resultat i det aktuella numret av den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Även med extremt kraftfulla datorer, kvantsimuleringar tar för lång tid

Kiel-forskarnas nya procedur är baserad på en av de för närvarande mest kraftfulla och mångsidiga simuleringsteknikerna för kvantmekaniska mångakroppssystem. Den använder metoden för så kallade noquilibrium Green-funktioner:detta gör att rörelser och komplexa interaktioner mellan elektroner kan beskrivas med mycket hög noggrannhet, även under en längre tid. Dock, Hittills är denna metod mycket datorintensiv:för att förutsäga utvecklingen av kvantsystemet under en tio gånger längre period, en dator kräver tusen gånger mer bearbetningstid.

Med det matematiska tricket att införa en extra hjälpvariabel, fysikerna vid CAU har nu lyckats omformulera de primära ekvationerna för gröna funktioner som inte är jämviktiga så att beräkningstiden bara ökar linjärt med processens varaktighet. Således, en tio gånger längre förutsägelseperiod kräver bara tio gånger mer datortid. I jämförelse med de tidigare använda metoderna, fysikerna uppnådde en accelerationsfaktor på cirka 10, 000. Denna faktor ökar ytterligare för längre processer. Eftersom det nya tillvägagångssättet för första gången kombinerar två gröna funktioner, det kallas "G1-G2-metoden."

Tidsmässig utveckling av materialegenskaper förutsägbar för första gången

Kiel -forskargruppens nya beräkningsmodell sparar inte bara dyr datortid, men tillåter också simuleringar, som tidigare varit helt omöjliga. "Vi blev själva förvånade över att denna dramatiska acceleration också kan demonstreras i praktiska tillämpningar, " förklarade Bonitz. Till exempel, det är nu möjligt att förutsäga hur vissa egenskaper och effekter i material som halvledare utvecklas över en längre tidsperiod. Bonitz är övertygad:"Den nya simuleringsmetoden är tillämplig inom många områden inom kvantmultikroppsteori, och kommer att möjliggöra kvalitativt nya förutsägelser, som om atomers beteende, molekyler, täta plasma och fasta ämnen efter excitation av intensiv laserstrålning."