Wetenschap
Berekenen hoe kwantumtoestanden elkaar overlappen
Kwantumveeldeeltjessystemen zijn zaken als atoomkernen die bestaan uit vele kleine deeltjes die op complexe manieren bewegen. Dit maakt het uiterst moeilijk om te voorspellen hoe de systemen zich gedragen als de deeltjes op elkaar inwerken. Om deze systemen te bestuderen, gebruiken onderzoekers computerhulpmiddelen die kwantum Monte Carlo-simulaties worden genoemd.
In dit werk gebruikten onderzoekers een specifieke kwantum Monte Carlo-benadering, de "floating block-methode" genaamd, om atoomkernen te berekenen die overeenkomen met twee verschillende Hamiltonianen en hoe ze elkaar overlappen. Hamiltonianen zijn wiskundige beschrijvingen van de energie van een kwantumsysteem. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
Door Hamiltonianen te bestuderen, kunnen wetenschappers begrijpen hoe een kwantumsysteem in de loop van de tijd verandert. De floating block-methode maakt het mogelijk berekeningen te maken die voorheen onmogelijk waren voor grote kwantumsystemen.
Met de floating block-methode kunnen onderzoekers quantum Monte Carlo-simulaties gebruiken om snelle en nauwkeurige emulators voor quantumsystemen te bouwen. Het werkt door gegevens te berekenen voor verschillende specifieke parameterwaarden:de waarden die het kwantumsysteem definiëren.
Met deze basisgegevens kunnen onderzoekers een emulator maken die de resultaten voor alle parameterwaarden in een specifiek bereik nauwkeurig zal voorspellen. Dit gebruik van de floating block-methode en quantum Monte Carlo-simulaties heeft veel potentiële toepassingen. Het zou bijvoorbeeld wetenschappers kunnen helpen die zich bezighouden met kwantumcomputing.
Onderzoekers van Forschungszentrum Jülich, de Universiteit van Bonn, en de Facility for Rare Isotope Beams van de Michigan State University gebruikten de floating block-methode om de overlap tussen energietoestanden van verschillende Hamiltonianen te berekenen met behulp van kwantum Monte Carlo-berekeningen.
Om de overlap tussen energietoestanden te berekenen, maakt de zwevende blokmethode gebruik van denkbeeldige (in tegenstelling tot reële waarde) tijdsevolutie voor twee verschillende Hamiltonianen en herschikt de tijdsblokken in een geleidelijke reeks berekeningen. Het proces doet denken aan een blok ijs dat losbreekt van een grote ijsmassa en in zee drijft.
De rekenefficiëntie van de floating block-methode is ordes van grootte beter dan bij andere benaderingen, waarbij het rekenvoordeel nog groter wordt naarmate de systeemgrootte groter wordt.