数学工具可帮助更快地计算量子材料的属性

发布时间: 2020-08-21 18:34:22 来源:

由于所需的计算时间太长,许多量子材料几乎不可能进行数学模拟。现在,工程师已经展示了一种可大大减少计算时间的方法。这可以加速未来节能IT技术材料的开发。

全世界的超级计算机全天候研究问题。原则上,即使新颖的材料也可以在计算机中进行模拟,以计算其磁性能和热性能以及其相变。这种建模的金标准称为量子蒙特卡洛方法。

波粒二元论

但是,这种方法存在一个固有的问题:由于量子系统的物理波粒二元性,固态化合物中的每个粒子不仅具有质点和动量之类的粒子性质,而且还具有诸如质点和动量之类的波性质。相。干扰会导致“波”彼此叠加,从而使它们彼此局部放大(相加)或抵消(相减)。这使计算极其复杂。它被称为量子蒙特卡罗方法的符号问题。

最小化问题

“量子材料特性的计算每天在大型计算机上花费大约一百万小时的CPU,”柏林弗赖大学和HZB联合研究组负责人Jens Eisert教授说。“这在总可用计算时间中占相当大的比例。”理论物理学家现在与他的团队一起开发了一种数学程序,通过该程序可以大大减少符号问题的计算成本。“我们表明可以从非常不同的角度看待固态系统。符号问题在这些不同的视角中扮演着不同的角色。然后,以这样的方式处理固态系统就成为问题:最小化”,该研究的第一作者Dominik Hangleiter解释说,该研究现已发表在科学进展。

从简单的旋转系统到更复杂的旋转系统

对于带有自旋的简单固态系统(形成所谓的海森堡梯子),这种方法使团队可以大大减少符号问题的计算时间。但是,该数学工具也可以应用于更复杂的自旋系统,并有望更快地计算其性能。

Eisert说:“这为我们提供了一种新方法,可以加快具有特殊旋转特性的材料的开发。”这些类型的材料可以在将来的IT技术中找到应用,这些技术必须以相当少的能源消耗来处理和存储数据。

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