数学工具有助于更快地计算量子材料的特性

许多量子材料几乎不可能进行数学模拟，因为所需的计算时间太长。现在, Freie Universität Berlin与Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB，德国)的一个联合研究小组已经展示了一种大幅缩短计算时间的方法。这可以加速未来节能 IT 技术材料的发展。超级计算器对于探索复杂的研究问题至关重要。原则上，即使是新的材料也可以在计算器中模拟来计算它的磁性和热特性以及相变。这种建模的黄金标准被称为量子Monte Carlo方法。

波粒二项性

然而，这种方法有一个内在问题，由于量子系统的物理波粒二项性，固态化合物中的每个粒子不仅具有粒子特性比如质量和动量等，而且具有相位等类波特性。干扰导致“波”相互迭加,使它们在局部可以互相放大(添加)或相消(减法)。这使得计算变得极其复杂。这被称为是量子Monte Carlo方法的符号问题。

问题最小化

Freie Universität Berlin和HZB联合研究小组负责人Jens Eisert教授说：“计算量子材料特性每天在大型计算机上花费大约CPU 的100万小时。这在总共可用的计算时间中占很大比例。理论物理学家与他的团队一起开发了一个数学程序，通过这个程序可以大大减少量子Monte Carlo符号问题的计算成本。这项研究发表在《Science Advances》上，文章第一作者Dominik Hangleiter解释道：“我们展示了可以从完全不同的角度看待固态系统。符号问题在这些不同的视角中扮演着不同的角色。然后是处理固态系统的问题，用某种方式下将符号问题最小化。”

从简单的自旋系统到更复杂的自旋系统

对于具有自旋的简单固态系统，这种形式被大家熟知为Heisenberg阶梯，这种方法使团队能够大大减少符号问题的计算时间。但数学工具也可以应用于更复杂的自旋系统，并且可保证更快地计算它们的特性。Eisert 说：“这为我们提供了一种新方法，这种方法可以加速开发具有特殊自旋特性的材料。”这些类型的材料可以应用在未来的 IT 技术中，这样就可以用更少的能源消耗去处理和存储数据。