由于量子的波粒二象性，​许多量子材料几乎不能进行数学模拟！

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，柏林自由大学和柏林亥姆霍兹中心（HZB）的一个联合研究小组，已经展示了一种显著减少计算时间的方法，这可能会加速未来节能IT技术材料的开发。超级计算机对于探索复杂的研究问题至关重要，理论上，即使是新材料也可以在计算机中进行模拟，以计算它们的磁学和热学性质以及相变。

这种建模的黄金标准被称为量子蒙特卡罗方法。然而，这种方法有一个内在的问题：由于量子系统的物理波粒二象性，固态化合物中的每个粒子不仅具有质量、动量等类粒子属性，而且还具有诸如相位等类波属性。干扰会导致“波”相互叠加，因此它们要么在局部放大(相加)，要么相互抵消(相减)。这使得计算非常复杂，它涉及到量子蒙特卡罗方法的符号问题。

柏林自由大学(Freie University)和HZB联合研究小组负责人延斯·艾塞特(Jens Eisert)教授表示：量子材料特性的计算每天要在大型计算机上花费大约100万小时的CPU时间。这在总的可用计算时间中占了相当大比例。这位理论物理学家和研究团队现在已经开发出一种数学程序，通过它可以大大降低符号问题的计算成本。这项研究的第一作者多米尼克·汉莱特(Dominik Hangleiter)解释说：

可以从非常不同的角度来看待固态系统，符号问题在这些不同的角度中扮演着不同角色。那么就是以一种将符号问题最小化的方式来处理固态系统的问题，该研究的第一作者多米尼克·汉莱特(Dominik Hangleiter)现已将研究成果发表在《科学进展》期刊上。从简单的自旋系统到更复杂的系统，对于简单的带有自旋的固态系统，它们形成了众所周知的海森堡梯子，这种方法使团队能够大大减少符号问题的计算时间。

然而，该数学工具也可以应用于更复杂的自旋系统，并能更快地计算它们的性质。这为加速开发具有特殊自旋特性的材料提供了一种新方法，这类型材料可以在未来的IT技术中得到应用，对这些技术来说，数据必须以相当少的能源消耗来处理和存储。量子蒙特卡罗(QMC)方法是研究量子多体系统平衡性质的金标准。然而，在许多有趣的情况下，量子蒙特卡罗方法面临着符号问题。

这使得量子蒙特卡罗算法运行时间受到指数增长的严重限制。新研究开发了一种系统、普遍适用、实际可行的方法，通过有效地计算基数变化来缓解符号问题，并用它来严格评估符号问题。框架引入了非稳性的度量，正如研究人员用解析和数值证明的那样，它同时为符号问题的严重程度提供了一个实际相关且可有效计算因数。

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博科园｜研究/来自：亥姆霍兹德国研究中心协会

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb8341

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