Математический инструмент помогает быстрее вычислять свойства квантовых материалов

 

ИЗОБРАЖЕНИЕ:  Интеллектуальные математические инструменты для моделирования спиновых систем сокращают время вычислений на суперкомпьютерах. Некоторые из самых быстрых суперкомпьютеров в мире в настоящее время расположены в Forschungszentrum Jülich

Суперкомпьютеры по всему миру круглосуточно работают над исследовательскими задачами. В принципе, даже новые материалы можно моделировать на компьютере, чтобы рассчитать их магнитные и тепловые свойства, а также их фазовые переходы. Золотой стандарт для такого рода моделирования известен как квантовый метод Монте-Карло.

Дуализм волна-частица

Однако у этого метода есть внутренняя проблема: из-за физического дуализма квантовых систем волна-частица каждая частица в твердотельном соединении не только обладает свойствами, подобными частицам, такими как масса и импульс, но также волнообразными свойствами, такими как фаза. Интерференция заставляет «волны» накладываться друг на друга, так что они либо усиливают (добавляют), либо нейтрализуют (вычитают) друг друга локально. Это делает расчеты чрезвычайно сложными. Это относится к проблеме знаков квантового метода Монте-Карло.

Минимизация проблемы

«На расчет квантовых характеристик материалов ежедневно уходит около одного миллиона часов центрального процессора на мэйнфреймах», - говорит профессор Йенс Айсерт, возглавляющий совместную исследовательскую группу Freie Universität Berlin и HZB. «Это очень значительная часть всего доступного вычислительного времени». Вместе со своей командой физик-теоретик разработал математическую процедуру, с помощью которой можно значительно снизить вычислительные затраты на решение проблемы знака. «Мы показываем, что твердотельные системы можно рассматривать с самых разных точек зрения. Проблема знака играет разную роль в этих разных точках зрения. Тогда речь идет о том, чтобы иметь дело с твердотельной системой таким образом, чтобы проблема знака была минимизировано ", - объясняет Доминик Ханглейтер, первый автор исследования, которое теперь опубликовано вРазвитие науки .

От простых спиновых систем к более сложным

Для простых твердотельных систем со спинами, которые образуют так называемые лестницы Гейзенберга, этот подход позволил команде значительно сократить время вычисления проблемы знака. Однако математический аппарат может быть применен и к более сложным спиновым системам и обещает более быстрый расчет их свойств.

«Это дает нам новый метод ускоренной разработки материалов с особыми прядильными свойствами», - говорит Айсерт. Эти типы материалов могут найти применение в будущих ИТ-технологиях, для которых данные должны обрабатываться и храниться со значительно меньшими затратами энергии.