沸騰的水汽化為水蒸氣,，冰塊在玻璃杯中融化,，這些常見(jiàn)的現(xiàn)象就是所謂的相變,。然而,，另一種類型的相變很難觀測(cè)到,，它在微觀層面非常明顯：量子相變,。
圖1 兩個(gè)量子相變的“映射”圖,。不同顏色代表不同相以及不同相之間的過(guò)渡
當(dāng)環(huán)境溫度冷卻至接近絕對(duì)零度時(shí),，某些材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生奇妙的量子相變，這種材料從磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判?，也可以突然獲得超導(dǎo)性,，以零損耗能傳導(dǎo)電子。
然而,，即使對(duì)于超級(jí)計(jì)算機(jī),，這些轉(zhuǎn)變背后的理論計(jì)算也是一個(gè)大難題。近日,，芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種處理這種復(fù)雜計(jì)算的新方法,，該方法可能突破現(xiàn)有的量子技術(shù)。它的快捷性在于僅僅將最重要的信息作為方程的未知數(shù),，并創(chuàng)建模擬系統(tǒng)中所有可能相變的“映射”,。以上研究成果已發(fā)表在期刊《Physical Review A》。
該論文通訊作者,，芝加哥大學(xué)化學(xué)系,、詹姆斯·弗蘭克研究所的理論化學(xué)學(xué)家David Mazziotti說(shuō)：“這是一種研究量子相變的有前景的方法，既可用于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),，也可用于量子計(jì)算機(jī),。”
此外,，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,，如果科學(xué)家能夠完全理解量子相變背后的復(fù)雜物理學(xué)，我們就可以打開(kāi)新技術(shù)的大門,。例如,，過(guò)去的類似發(fā)現(xiàn)為核磁共振成像儀和晶體管打下理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和手機(jī)的發(fā)展和普及,。
流線型方法
日常生活的相變,，如蒸發(fā)和冷凝，是由溫度場(chǎng)的變化激發(fā)的,，但是量子相變是由環(huán)境中的某些干擾激發(fā)的,，比如磁場(chǎng)。
這種現(xiàn)象是許多電子相互作用的結(jié)果——電子間相互作用是強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理學(xué)的一個(gè)復(fù)雜子領(lǐng)域,。傳統(tǒng)方法模擬量子相變必須創(chuàng)建一個(gè)包含每個(gè)電子運(yùn)動(dòng)可能性的模型,，但運(yùn)行這些模擬很容易使計(jì)算機(jī)崩潰。
因此,，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更適合解決這類問(wèn)題,，那么隨之而來(lái)的問(wèn)題是：這些方程產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，然后需要被翻譯回“普通”計(jì)算機(jī)的識(shí)別語(yǔ)言,，以便科學(xué)家使用它們分析,。
基于此,，該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)在不算是準(zhǔn)確性的同時(shí)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,。
他們沒(méi)有創(chuàng)建一個(gè)模擬程序來(lái)計(jì)算特定子系統(tǒng)中的每一個(gè)變量,，而是找到另一種方法：用一組數(shù)據(jù)描述每一對(duì)電子之間可能的相互作用，即“雙電子還原密度矩陣”,。
該論文第一作者,、在讀研究生Sam Warren解釋說(shuō)：“通過(guò)測(cè)量描述雙電子還原密度矩陣的集合，我們最終創(chuàng)建了量子系統(tǒng)可能經(jīng)歷的所有不同階段的映射,?！保ㄈ鐖D1）
這個(gè)映射本身還有其他優(yōu)勢(shì)，Sam Warren說(shuō)：“它讓你看到平時(shí)可能會(huì)錯(cuò)過(guò)的過(guò)渡態(tài),，它創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大的可視化平臺(tái),，輕松快速地掌握高階全空間視圖?！?/p>
該論文第二作者,，在讀研究生LeeAnn Sager-Smith說(shuō)：“它給了我們這個(gè)系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)物理知識(shí)，同時(shí)最大限度地減少了計(jì)算需求,?！?/p>
Mazziotti希望這種方法不僅能夠在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行模擬，而且能夠幫助我們?nèi)胬斫饬孔酉嘧?。他表示：“由于有些區(qū)域很難建立模型,，材料中的這些區(qū)域沒(méi)有充分計(jì)算,。我們期望這種方法能夠打開(kāi)一些新大門,。”
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