Les systèmes en interaction forte jouent un rôle important en physique quantique et en chimie quantique. Les méthodes stochastiques telles que la simulation de Monte Carlo constituent un moyen éprouvé pour étudier de tels systèmes. Cependant, ces méthodes atteignent leurs limites lorsque se produisent des oscillations de signal.

Ce problème a maintenant été résolu par une équipe internationale de chercheurs d’Allemagne, de Turquie, des États-Unis, de Chine, de Corée du Sud et de France en utilisant la nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde. Par exemple, les masses et les rayons de tous les noyaux jusqu’au groupe numéro 50 ont été calculés à l’aide de cette méthode. Les résultats sont désormais en accord avec les mesures des chercheurs un rapport Dans le magazine nature.

Toute matière sur Terre est constituée de minuscules particules appelées atomes. Chaque atome contient des particules plus petites : des protons, des neutrons et des électrons. Chacune de ces particules suit les règles de la mécanique quantique. La mécanique quantique constitue la base de la théorie quantique à N corps, qui décrit des systèmes contenant de nombreuses particules, tels que les noyaux atomiques.

Une classe de méthodes utilisées par les physiciens nucléaires pour étudier les noyaux atomiques est l’approche fondée sur des principes. Il décrit des systèmes complexes en commençant par une description de leurs composants élémentaires et de leurs interactions. Dans le cas de la physique nucléaire, les composants élémentaires sont les protons et les neutrons. Certaines des questions clés auxquelles les calculs élémentaires peuvent contribuer à répondre concernent les énergies de liaison et les propriétés des noyaux atomiques et la relation entre la structure nucléaire et les interactions fondamentales entre protons et neutrons.

Cependant, ces méthodes primitives ont des difficultés à effectuer des calculs fiables pour des systèmes aux interactions complexes. L’une de ces méthodes est la simulation quantique de Monte Carlo. Ici, les quantités sont calculées à l’aide de processus stochastiques ou stochastiques.

Bien que les simulations quantiques de Monte Carlo puissent être efficaces et puissantes, elles souffrent d’une faiblesse majeure : le problème des signes. Cela se produit dans les opérations avec des poids positifs et négatifs qui s’annulent. Cette annulation conduit à des prédictions finales inexactes.

La nouvelle approche, connue sous le nom de correspondance de fonctions d’onde, vise à aider à résoudre ces problèmes de calcul pour les méthodes élémentaires.

« Ce problème est résolu par la nouvelle méthode d’appariement des fonctions d’onde en mappant le problème complexe à une première approximation d’un système modèle simple qui ne présente pas de telles oscillations de signal, puis en abordant les différences dans la théorie des perturbations », explique le professeur Ulf-Gee. Meissner est membre de l’Institut Helmholtz de physique des rayonnements et nucléaires de l’Université de Bonn, ainsi que de l’Institut de physique nucléaire et du Centre de simulation et d’analyse avancées du Forschungszentrum Jülich.

« Par exemple, les masses et les rayons de tous les noyaux jusqu’au groupe numéro 50 ont été calculés et les résultats concordent avec les mesures », explique Meissner, qui est également membre des domaines de recherche interdisciplinaires Modélisation et Matériaux à Harvard. Université de Bonn.

« Dans la théorie quantique à N corps, nous rencontrons souvent une situation dans laquelle nous pouvons effectuer des calculs en utilisant une simple interaction approximative, mais les interactions de haute précision du monde réel provoquent de graves problèmes de calcul », explique Dean Lee, professeur de physique à l’Université Rare. Centre de recherche. Istope Beams et le Département de physique et d’astronomie (FRIB) de la Michigan State University et directeur du Département des sciences nucléaires théoriques.

La correspondance des fonctions d’onde résout ce problème en supprimant la partie à courte distance de l’interaction de haute précision et en la remplaçant par la partie à courte distance d’une interaction facilement calculable. Cette transformation est effectuée de manière à préserver toutes les propriétés importantes de l’interaction originale du monde réel.

Étant donné que les nouvelles fonctions d’onde ressemblent à celles de l’interaction facilement calculable, les chercheurs peuvent désormais effectuer des calculs en utilisant l’interaction facilement calculable et appliquer une procédure standard pour traiter les petites corrections – appelée théorie des perturbations.

L’équipe de recherche a appliqué cette nouvelle méthode aux simulations quantiques de Monte Carlo de noyaux légers, de noyaux de masse moyenne, de matière neutronique et de matière nucléaire. Grâce à des calculs minutieux à partir de zéro, les résultats correspondent étroitement aux données réelles sur les propriétés nucléaires telles que la taille, la structure et l’énergie de liaison. Des calculs qui étaient auparavant impossibles en raison du problème de signe peuvent désormais être effectués grâce à l’appariement de fonctions d’onde.

Alors que l’équipe de recherche s’est concentrée exclusivement sur les simulations quantiques de Monte Carlo, l’appariement des fonctions d’onde devrait être utile pour de nombreuses approches fondées sur des principes différents. « Cette méthode peut être utilisée à la fois en informatique classique et quantique, par exemple, pour mieux prédire les propriétés des matériaux dits topologiques, qui sont importants pour l’informatique quantique », explique Meissner.

Le premier auteur est le professeur Serdar Al-Hatisari, qui a travaillé pendant deux ans en tant que membre de la bourse ERC Advanced EXOTIC du professeur Meissner. Selon Meissner, une grande partie du travail a été réalisée à cette époque. Une partie du temps de calcul des supercalculateurs du Forschungszentrum Jülich a été assurée par l’Institut IAS-4, dirigé par Meissner.