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新型量子模擬技術(shù)描述量子相變

2022-10-31
來源:中科戰(zhàn)略 光電科技情報網(wǎng)

  沸騰的水汽化為水蒸氣,,冰塊在玻璃杯中融化,,這些常見的現(xiàn)象就是所謂的相變,。然而,,另一種類型的相變很難觀測到,它在微觀層面非常明顯:量子相變,。

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  圖1 兩個量子相變的“映射”圖,。不同顏色代表不同相以及不同相之間的過渡

  當環(huán)境溫度冷卻至接近絕對零度時,,某些材料內(nèi)部會發(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,,即使對于超級計算機,這些轉(zhuǎn)變背后的理論計算也是一個大難題,。近日,,芝加哥大學團隊提出了一種處理這種復(fù)雜計算的新方法,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,,芝加哥大學化學系、詹姆斯·弗蘭克研究所的理論化學學家David Mazziotti說:“這是一種研究量子相變的有前景的方法,,既可用于傳統(tǒng)計算機,,也可用于量子計算機?!?/p>

  此外,,該團隊認為,如果科學家能夠完全理解量子相變背后的復(fù)雜物理學,,我們就可以打開新技術(shù)的大門,。例如,過去的類似發(fā)現(xiàn)為核磁共振成像儀和晶體管打下理論基礎(chǔ),,促進了現(xiàn)代計算機和手機的發(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,。

  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關(guān)聯(lián)物理學的一個復(fù)雜子領(lǐng)域,。傳統(tǒng)方法模擬量子相變必須創(chuàng)建一個包含每個電子運動可能性的模型,但運行這些模擬很容易使計算機崩潰,。

  因此,,量子計算機被認為比傳統(tǒng)計算機更適合解決這類問題,那么隨之而來的問題是: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”計算機的識別語言,,以便科學家使用它們分析,。

  基于此,該團隊預(yù)計在不算是準確性的同時,,簡化計算過程,。

  他們沒有創(chuàng)建一個模擬程序來計算特定子系統(tǒng)中的每一個變量,而是找到另一種方法:用一組數(shù)據(jù)描述每一對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:“通過測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,。”(如圖1)

  這個映射本身還有其他優(yōu)勢,,Sam Warren說:“它讓你看到平時可能會錯過的過渡態(tài),,它創(chuàng)建了一個強大的可視化平臺,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:“它給了我們這個系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)物理知識,,同時最大限度地減少了計算需求,。”

  Mazziotti希望這種方法不僅能夠在量子計算機上運行模擬,,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)域沒有充分計算,。我們期望這種方法能夠打開一些新大門,。”

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