Hoe een elektron zich gedraagt ​​in een atoom, of hoe het beweegt in een vaste stof, kan nauwkeurig worden voorspeld met de vergelijkingen van de kwantummechanica. Deze theoretische berekeningen komen volledig overeen met de resultaten verkregen uit experimenten. Maar complexe kwantumsystemen, die veel elektronen of elementaire deeltjes bevatten, zoals moleculen, vaste stoffen of atoomkernen - kan momenteel niet precies worden beschreven, zelfs met de krachtigste computers die tegenwoordig beschikbaar zijn. De onderliggende wiskundige vergelijkingen zijn te complex, en de rekeneisen zijn te groot. Een team onder leiding van professor Michael Bonitz van het Institute of Theoretical Physics and Astrophysics aan de Kiel University (CAU) is er nu in geslaagd een simulatiemethode te ontwikkelen, waarmee kwantummechanische berekeningen tot ongeveer 10 mogelijk zijn, 000 keer sneller dan voorheen mogelijk was. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in het huidige nummer van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Zelfs met extreem krachtige computers, kwantumsimulaties duren te lang

De nieuwe procedure van de Kiel-onderzoekers is gebaseerd op een van de momenteel meest krachtige en veelzijdige simulatietechnieken voor kwantummechanische veellichamensystemen. Het maakt gebruik van de methode van zogenaamde niet-evenwichts-groene functies:hiermee kunnen bewegingen en complexe interacties van elektronen met zeer hoge nauwkeurigheid worden beschreven, zelfs voor een langere periode. Echter, tot op heden is deze methode zeer computerintensief:om de ontwikkeling van het kwantumsysteem over een tien keer langere periode te voorspellen, een computer heeft duizend keer meer verwerkingstijd nodig.

Met de wiskundige truc van het introduceren van een extra hulpvariabele, de natuurkundigen van de CAU zijn er nu in geslaagd om de primaire vergelijkingen van niet-evenwichts-Groene functies zodanig te herformuleren dat de rekentijd alleen maar lineair toeneemt met de procesduur. Dus, een tien keer langere voorspellingsperiode vereist slechts tien keer meer rekentijd. In vergelijking met de eerder gebruikte methoden, de fysici bereikten een versnellingsfactor van ongeveer 10, 000. Deze factor neemt verder toe voor langere processen. Omdat de nieuwe aanpak voor het eerst twee Groene functies combineert, het wordt de "G1-G2-methode" genoemd.

Tijdelijke ontwikkeling van materiaaleigenschappen voor het eerst voorspelbaar

Het nieuwe rekenmodel van het Kiel-onderzoeksteam bespaart niet alleen dure rekentijd, maar maakt ook simulaties mogelijk, die voorheen volledig onmogelijk waren. "We waren zelf verrast dat deze dramatische versnelling ook in praktische toepassingen kan worden aangetoond, " legde Bonitz uit. Bijvoorbeeld, het is nu mogelijk te voorspellen hoe bepaalde eigenschappen en effecten in materialen zoals halfgeleiders zich over een langere periode ontwikkelen. Bonitz is ervan overtuigd:"De nieuwe simulatiemethode is toepasbaar op tal van gebieden van de quantum veeldeeltjestheorie, en zal kwalitatief nieuwe voorspellingen mogelijk maken, zoals over het gedrag van atomen, moleculen, dichte plasma's en vaste stoffen na excitatie door intense laserstraling."