2019-05-15 21:18:01
数字量子模拟器可以非常强大

在解决多体系统中的量子物理问题时,例如预测材料特性,传统计算机迅速达到其容量极限。数字量子模拟器可能有所帮助,但直到现在它们仍然极其局限于粒子很少且模拟时间短的小型系统。现在,来自德累斯顿和因斯布鲁克(奥地利)的海德堡大学物理学家Philipp Hauke博士及其同事已经证明,这种模拟可以更加稳健,因此比以前假设的更加稳定。他们的研究结果发表在Science Advances上。

在量子物理学中,多体理论描述了大量相互作用的粒子。在热力学平衡状态下,多体系统只能通过一些值来描述,例如温度或压力,这些值在整个系统中基本上是均匀的。但是在一次重大扰动之后会发生什么情况,例如当短时间激光脉冲突然在材料样品中沉积能量时?精确计算相互作用多体系统的所谓非平衡动力学是量子物理学中一个引人注目的问题。

使用传统计算机的计算需要随着组成量子粒子的数量呈指数增加的资源。 “因此计算精确的方法只需要几十个粒子就会失败。例如,远远低于预测材料属性所需的数量。在这种情况下,科学家们依赖于通常不受控制的近似方法,特别是在动态属性方面。 “海克堡大学基尔霍夫物理研究所和理论物理研究所的研究员霍克博士解释说。数字量子模拟提供了一种可能的解决方法用模拟器研究非平衡动力学,模拟器本身受量子力学定律支配。

描述量子计算机中的时间演变需要将其分解为单独的操作。但这种方法 - 也称为Trotterization--不可避免地会产生模拟本身固有的误差。通过足够精细的离散可以减轻该Trotter误差。然而,必须选择极小的离散化步骤来可靠地描绘较长时间的演变。到目前为止,研究一直认为误差会在很长一段时间内迅速增加,而且粒子数量也会增加 - 这对于所有实际应用来说都会极大地将数字量子模拟限制在小型系统和短时间内。

使用数值演示和分析论证,研究人员现在已经证明量子模拟比以前假设的更“稳健”,因此更加稳定,只要在实践中只考虑相关的值 - 例如整个系统的平均值 - 而不是每个粒子的完整状态。对于这样的值,在具有可控错误的区域和不能再提供可用结果的模拟之间存在尖锐的阈值。低于此阈值,Trotter误差仅对实际模拟的所有时间段的影响有限,并且在很大程度上与组成粒子的数量无关。

同时,研究表明,数字量子模拟可以使用意外的大型Trotter步骤提供惊人的精确结果。因此,可以预测许多量子粒子在更长时间内的行为的模拟变得越来越可能。这进一步为实际应用打开了大门,从材料科学和量子化学到基础物理学的问题,“Hauke博士说。谁是“量子光学和量子多体理论”研究小组的负责人。

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