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超快速量子模擬:舊方法的新轉折

2020-02-20 17:34:49    來源:    我來說兩句()
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 眨眼間,每一個物質中的數千個粒子之間都會發生數十億個微小的相互作用。據說很難以全動態模擬這些相互作用,但是現在牛津大學和沃里克大學的研究人員的新工作使之成​​為可能。

通過這樣做,他們為在極端環境(例如在大行星的心臟或激光核聚變的中心)中的粒子之間復雜的相互交互作用提供了新的見解。

華威大學和牛津大學的研究人員已經開發出一種新的方法來模擬許多粒子的量子系統,從而可以研究與緩慢移動的離子完全耦合的量子系統的動態特性。

實際上,他們已經使量子電子的仿真如此之快,以至于它可以不受限制地運行很長的時間,并且它們的運動對慢離子運動的影響將是可見的。

它在《科學進展》雜志上進行了報道,它基于一種眾所周知的量子力學替代形式(玻姆動力學),科學家現已授權該替代形式來研究大型量子系統的動力學。

由于單個大型或復雜的量子系統使科學家無法通過理論和計算能力做出預測,因此已經針對單個或幾個相互作用的粒子研究了許多量子現象。不同粒子種類作用的時間尺度存在巨大差異,這使情況變得復雜:由于質量較大,離子的演化速度比電子慢數千倍。為了克服這個問題,大多數方法都涉及將電子和離子去耦并忽略其相互作用的動力學,但這嚴重限制了我們對量子動力學的認識。

為了開發一種使科學家能夠解釋全部電子-離子相互作用的方法,研究人員恢復了大衛·鮑姆(David Bohm)開發的量子力學的另一種古老提法。在量子力學中,需要了解粒子的波函數。事實證明,像鮑姆所做的那樣,用平均軌跡和相位來描述它是非常有利的。但是,它采取了另一套近似方法,并進行了許多測試,以根據需要加快計算速度。確實,新方法顯示出速度提高了10,000倍(四個數量級),但仍與先前對量子系統靜態特性的計算相一致。

然后,將新方法應用于模擬熱致密物質(固體與熱等離子體之間的狀態),該方法以其固有的所有粒子類型的耦合以及對量子描述的需求而聞名。在這樣的系統中,電子和離子都可以以波的形式激發,并且兩個波將相互影響。在這里,新方法可以顯示其強度,并確定量子電子對經典離子波的影響,同時證明其靜態特性與先前的數據一致。

多體量子系統是許多科學問題的核心,從我們體內復雜的生物化學到大型行星內部物質的行為,甚至是諸如高溫超導性或聚變能之類的技術難題,這些問題都證明了該技術的可能應用范圍。新的方法。

領導這項研究的Gianluca Gregori教授(牛津大學)說:“博姆量子力學經常受到懷疑和爭議的對待。但是,在其原始表述中,這只是量子力學的另一種形式。采用這種形式主義的優勢是不同的逼近變得更容易實現,并且可以提高涉及多體系統的仿真的速度和準確性。”

沃里克大學的Dirk Gericke博士協助設計了新的計算機代碼,他說:“隨著數字效率的巨大提高,現在有可能跟蹤完全相互作用的電子離子系統的全部動態。這種新方法因此,為有效的解決方案開辟了新的一類問題,特別是在系統正在發展或電子的量子動力學對重離子或整個系統產生重大影響的情況下。

“當設計和解釋溫暖致密物質的實驗時,這種新的數值工具將是一項巨大的資產。從其結果,尤其是與指定的實驗相結合時,我們可以在大型行星和激光聚變研究中學到很多。但是,我相信它的真正優勢在于它的普遍性以及在量子化學或強驅動固體中的可能應用。”


 
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