En beräkning så komplex att den tar 20 år att göra på en kraftfull stationär dator kan nu göras på en timme på en vanlig bärbar dator. Fysikern Andreas Ekström vid Chalmers tekniska högskola, tillsammans med internationella forskarkollegor, har designat en ny metod för att beräkna egenskaperna hos atomkärnor otroligt snabbt.

Det nya tillvägagångssättet är baserat på ett koncept som kallas emulering, där en ungefärlig beräkning ersätter en komplett och mer komplex beräkning. Även om forskarna tar en genväg, lösningen blir nästan exakt densamma. Det påminner om algoritmer från maskininlärning, men i slutändan har forskarna designat en helt ny metod. Det öppnar ännu fler möjligheter inom grundforskning inom områden som kärnfysik.

"Nu när vi kan emulera atomkärnor med den här metoden, vi har ett helt nytt verktyg för att konstruera och analysera teoretiska beskrivningar av krafterna mellan protoner och neutroner inuti atomkärnan, säger forskningsledare Andreas Ekström, Docent vid institutionen för fysik på Chalmers.

Grundläggande för att förstå vår existens

Ämnet kan låta nischat, men det är faktiskt grundläggande för att förstå vår existens och den synliga materiens stabilitet och ursprung. Det mesta av atommassan finns i atomens mitt, i ett tätt område som kallas atomkärnan. kärnans beståndsdelar, protoner och neutroner, hålls samman av något som kallas den starka kraften. Även om denna kraft är så central för vår existens, ingen vet exakt hur det fungerar. För att öka vår kunskap och reda ut de grundläggande egenskaperna hos synlig materia, forskare måste kunna modellera egenskaperna hos atomkärnor med stor noggrannhet.

Grundforskningen som Andreas Ekström och hans kollegor arbetar med kastar nytt ljus över ämnen som sträcker sig från neutronstjärnor och deras egenskaper, till kärnornas innersta struktur och sönderfall. Grundläggande forskning inom kärnfysik ger också viktig input till astrofysik, atomfysik, och partikelfysik.

Öppnar dörrar till helt nya möjligheter

"Jag är otroligt glad över att kunna göra beräkningar med sådan noggrannhet och effektivitet. Jämfört med våra tidigare metoder, det känns som att vi nu beräknar blixtsnabbt. I vårt pågående arbete här på Chalmers, vi hoppas kunna förbättra emuleringsmetoden ytterligare, och utföra avancerade statistiska analyser av våra kvantmekaniska modeller. Med denna emuleringsmetod verkar det som att vi kan uppnå resultat som tidigare ansågs omöjliga. Detta öppnar verkligen dörrar till helt nya möjligheter, säger Andreas Ekström.

Mer om den matematiska genvägen

Den nya emuleringsmetoden bygger på något som kallas egenvektorfortsättning (EVC). Det möjliggör emulering av många kvantmekaniska egenskaper hos atomkärnor med otrolig hastighet och noggrannhet. Istället för att direkt lösa det tidskrävande och komplexa mångakroppsproblemet om och om igen, forskare har skapat en matematisk genväg, med hjälp av en transformation till ett speciellt underrum. Detta gör det möjligt att använda ett fåtal exakta lösningar för att sedan få ungefärliga lösningar mycket snabbare.

Om emulatorn fungerar bra, det genererar lösningar som är nästan exakt – cirka 99 procent – ​​liknande lösningarna på det ursprungliga problemet. Detta är på många sätt samma principer som används i maskininlärning, men det är inte ett neuralt nätverk eller en Gauss-process – en helt ny metod underbygger det. EVC-metoden för emulering är inte begränsad till atomkärnor, och forskarna undersöker för närvarande ytterligare olika typer av applikationer.