新型量子模拟技术描述量子相变

       沸腾的水汽化为水蒸气，冰块在玻璃杯中融化，这些常见的现象就是所谓的相变。然而，另一种类型的相变很难观测到，它在微观层面非常明显：量子相变。

图1 两个量子相变的“映射”图。不同颜色代表不同相以及不同相之间的过渡。（图片来源：Warren，Sager-Smith, Mazziotti，美国芝加哥大学）

       当环境温度冷却至接近绝对零度时，某些材料内部会发生奇妙的量子相变，这种材料从磁性转变为非磁性，也可以突然获得超导性，以零损耗能传导电子。

       然而，即使对于超级计算机，这些转变背后的理论计算也是一个大难题。近日，芝加哥大学团队提出了一种处理这种复杂计算的新方法，该方法可能突破现有的量子技术。它的快捷性在于仅仅将最重要的信息作为方程的未知数，并创建模拟系统中所有可能相变的“映射”。以上研究成果已发表在期刊《Physical Review A》。

        该论文通讯作者，芝加哥大学化学系、詹姆斯·弗兰克研究所的理论化学学家David Mazziotti说：“这是一种研究量子相变的有前景的方法，既可用于传统计算机，也可用于量子计算机。”

       此外，该团队认为，如果科学家能够完全理解量子相变背后的复杂物理学，我们就可以打开新技术的大门。例如，过去的类似发现为核磁共振成像仪和晶体管打下理论基础，促进了现代计算机和手机的发展和普及。

流线型方法

       日常生活的相变，如蒸发和冷凝，是由温度场的变化激发的，但是量子相变是由环境中的某些干扰激发的，比如磁场。

       这种现象是许多电子相互作用的结果——电子间相互作用是强关联物理学的一个复杂子领域。传统方法模拟量子相变必须创建一个包含每个电子运动可能性的模型，但运行这些模拟很容易使计算机崩溃。

       因此，量子计算机被认为比传统计算机更适合解决这类问题，那么随之而来的问题是：这些方程产生了大量的数据，然后需要被翻译回“普通”计算机的识别语言，以便科学家使用它们分析。

       基于此，该团队预计在不算是准确性的同时，简化计算过程。

       他们没有创建一个模拟程序来计算特定子系统中的每一个变量，而是找到另一种方法：用一组数据描述每一对电子之间可能的相互作用，即“双电子还原密度矩阵”。

       该论文第一作者、在读研究生Sam Warren解释说：“通过测量描述双电子还原密度矩阵的集合，我们最终创建了量子系统可能经历的所有不同阶段的映射。”（如图1）

       这个映射本身还有其他优势，Sam Warren说：“它让你看到平时可能会错过的过渡态，它创建了一个强大的可视化平台，轻松快速地掌握高阶全空间视图。”

       该论文第二作者，在读研究生LeeAnn Sager-Smith说：“它给了我们立即这个系统所需的基础物理知识，同时最大限度地减少了计算需求。”

       Mazziotti希望这种方法不仅能够在量子计算机上运行模拟，而且能够帮助我们全面理解量子相变。他表示：“由于有些区域很难建立模型，材料中的这些区域没有充分计算。我们期望这种方法能够打开一些新大门。”

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https://phys.org/news/2022-08-shortcut-quantum-simulations-doors-technology.html