Kenji Ohmori (Instituut voor Moleculaire Wetenschappen, Nationale instituten voor natuurwetenschappen, Japan) en een groep medewerkers hebben 's werelds snelste simulator ontwikkeld voor de kwantummechanische dynamica van een groot aantal deeltjes die binnen een miljardste van een seconde met elkaar interageren.

De dynamiek van interacties tussen grote aantallen elektronen regelt een verscheidenheid aan belangrijke fysische en chemische verschijnselen, inclusief supergeleiding, magnetisme en chemische reacties. Een ensemble van vele deeltjes die zo met elkaar in wisselwerking staan, wordt een "sterk gecorreleerd systeem" genoemd. Het begrijpen van de eigenschappen van sterk gecorreleerde systemen is dus een van de centrale doelen van de moderne wetenschappen. Het is buitengewoon moeilijk, echter, om theoretisch de eigenschappen van een sterk gecorreleerd systeem te voorspellen, zelfs met behulp van de Japanse post-K-supercomputer, die naar verwachting in 2020 voltooid zal zijn.

Bijvoorbeeld, de post-K kan niet eens de precieze energie berekenen, de meest fundamentele eigenschap van materie, wanneer het aantal deeltjes in het systeem meer dan 30 is. In plaats van te rekenen met een klassieke computer zoals de post-K, een alternatief begrip, een "kwantumsimulator, " werd voorgesteld, waarin kwantummechanische deeltjes zoals atomen worden samengevoegd tot een kunstmatig sterk gecorreleerd systeem waarvan de eigenschappen bekend en controleerbaar zijn. Dit laatste wordt vervolgens gebruikt om de eigenschappen van een ander sterk gecorreleerd systeem waarvan de eigenschappen niet bekend zijn, te simuleren en te begrijpen.

Het team heeft nu een compleet nieuwe kwantumsimulator ontwikkeld voor de dynamiek van een sterk gecorreleerd systeem van meer dan 40 atomen binnen een miljardste van een seconde. Dit is gerealiseerd door een nieuwe benadering te introduceren waarbij een ultrakorte laserpuls met een pulsbreedte van slechts 100 miljardste van een seconde wordt gebruikt om een ​​ensemble van atomen met hoge dichtheid te regelen die zijn afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Verder, ze zijn erin geslaagd de beweging van elektronen van dit sterk gecorreleerde systeem te simuleren dat wordt gemoduleerd door de sterkte van interacties tussen veel atomen in het ensemble te veranderen.

Deze "ultrasnelle kwantumsimulator" zal naar verwachting dienen als een basisinstrument om de oorsprong van fysieke eigenschappen van materie te onderzoeken, waaronder magnetisme en, mogelijk, supergeleiding.

Dit resultaat wordt gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 16 november 2016.