許多量子材料幾乎不可能進行數(shù)學(xué)模擬，因為所需的計算時間太長。現(xiàn)在，柏林自由大學(xué)和柏林亥姆霍茲中心（HZB）的一個聯(lián)合研究小組，已經(jīng)展示了一種顯著減少計算時間的方法，這可能會加速未來節(jié)能IT技術(shù)材料的開發(fā)。

超級計算機對于探索復(fù)雜的研究問題至關(guān)重要，理論上，即使是新材料也可以在計算機中進行模擬，以計算它們的磁學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)以及相變。

這種建模的黃金標準被稱為量子蒙特卡羅方法。然而，這種方法有一個內(nèi)在的問題：由于量子系統(tǒng)的物理波粒二象性，固態(tài)化合物中的每個粒子不僅具有質(zhì)量、動量等類粒子屬性，而且還具有諸如相位等類波屬性。干擾會導(dǎo)致“波”相互疊加，因此它們要么在局部放大(相加)，要么相互抵消(相減)。這使得計算非常復(fù)雜，它涉及到量子蒙特卡羅方法的符號問題。

柏林自由大學(xué)(Freie University)和HZB聯(lián)合研究小組負責(zé)人延斯·艾塞特(Jens Eisert)教授表示：量子材料特性的計算每天要在大型計算機上花費大約100萬小時的CPU時間。這在總的可用計算時間中占了相當(dāng)大比例。這位理論物理學(xué)家和研究團隊現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種數(shù)學(xué)程序，通過它可以大大降低符號問題的計算成本。這項研究的第一作者多米尼克·漢萊特(Dominik Hangleiter)解釋說：

可以從非常不同的角度來看待固態(tài)系統(tǒng)，符號問題在這些不同的角度中扮演著不同角色。那么就是以一種將符號問題最小化的方式來處理固態(tài)系統(tǒng)的問題，該研究的第一作者多米尼克·漢萊特(Dominik Hangleiter)現(xiàn)已將研究成果發(fā)表在《科學(xué)進展》期刊上。從簡單的自旋系統(tǒng)到更復(fù)雜的系統(tǒng)，對于簡單的帶有自旋的固態(tài)系統(tǒng)，它們形成了眾所周知的海森堡梯子，這種方法使團隊能夠大大減少符號問題的計算時間。

然而，該數(shù)學(xué)工具也可以應(yīng)用于更復(fù)雜的自旋系統(tǒng)，并能更快地計算它們的性質(zhì)。這為加速開發(fā)具有特殊自旋特性的材料提供了一種新方法，這類型材料可以在未來的IT技術(shù)中得到應(yīng)用，對這些技術(shù)來說，數(shù)據(jù)必須以相當(dāng)少的能源消耗來處理和存儲。量子蒙特卡羅(QMC)方法是研究量子多體系統(tǒng)平衡性質(zhì)的金標準。然而，在許多有趣的情況下，量子蒙特卡羅方法面臨著符號問題。

這使得量子蒙特卡羅算法運行時間受到指數(shù)增長的嚴重限制。新研究開發(fā)了一種系統(tǒng)、普遍適用、實際可行的方法，通過有效地計算基數(shù)變化來緩解符號問題，并用它來嚴格評估符號問題?？蚣芤肓朔欠€(wěn)性的度量，正如研究人員用解析和數(shù)值證明的那樣，它同時為符號問題的嚴重程度提供了一個實際相關(guān)且可有效計算因數(shù)。

博科園｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會

參考期刊《科學(xué)進展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb8341

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