פתיחת הקוד הקוונטי: הצוות הבינלאומי מפצח בעיית פיזיקה ארוכת שנים

התאמת פונקציית גלים לפתרון בעיות קוונטיות בגוף רבים.

מערכות המקיימות אינטראקציה חזקה הן חיוניות בתחומי הפיזיקה הקוונטית וכימיה הקוונטית. סימולציות מונטה קרלו, סוג של שיטה סטוכסטית, נמצאות בשימוש נרחב לחקר מערכות אלו. עם זאת, הם מתמודדים עם אתגרים כשהם מתמודדים עם תנודות שלטים. צוות בינלאומי של חוקרים מגרמניה, טורקיה, ארה"ב, סין, דרום קוריאה וצרפת טיפל בבעיה זו על ידי פיתוח טכניקה חדשה הנקראת התאמת פונקציות גל.

כדוגמה, המסות והרדיוסים של כל הגרעינים עד מסה מספר 50 חושבו בשיטה זו. התוצאות תואמות את המדידות, כך מדווחים כעת החוקרים בכתב העת טֶבַע.

כל החומר בכדור הארץ מורכב מחלקיקים זעירים המכונים אטומים. כל אחד אָטוֹם מכיל חלקיקים קטנים עוד יותר: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. כל אחד מהחלקיקים הללו פועל לפי כללי מכניקת הקוונטים. מכניקת הקוונטים מהווה את הבסיס לתורת הקוונטים של הרבה גופים, המתארת ​​מערכות עם חלקיקים רבים, כמו גרעיני אטום.

מחלקה אחת של שיטות המשמשות פיזיקאים גרעיניים לחקר גרעיני אטום היא גישת האב initio. הוא מתאר מערכות מורכבות על ידי התחלה מתיאור המרכיבים היסודיים שלהן והאינטראקציות ביניהן. במקרה של פיזיקה גרעינית, המרכיבים היסודיים הם פרוטונים ונויטרונים. כמה שאלות מפתח שחישובים מהתחלה יכולים לעזור לענות עליהן הן האנרגיות והתכונות המחייבות של גרעיני אטום והקשר בין המבנה הגרעיני והאינטראקציות הבסיסיות בין פרוטונים וניטרונים.

אתגרים ופתרונות בסימולציות קוונטיות

עם זאת, לשיטות האב initio הללו יש קשיים בביצוע חישובים אמינים עבור מערכות בעלות אינטראקציות מורכבות. אחת מהשיטות הללו היא הדמיות קוונטיות של מונטה קרלו. כאן, הכמויות מחושבות באמצעות תהליכים אקראיים או סטוכסטיים. למרות שהדמיות קוונטיות של מונטה קרלו יכולות להיות יעילות וחזקות, יש להן חולשה משמעותית: בעיית השלטים. היא מתעוררת בתהליכים בעלי משקלים חיוביים ושליליים, המבטלים זה את זה. ביטול זה מוביל לתחזיות סופיות לא מדויקות.

גישה חדשה, המכונה התאמת פונקציות גל, נועדה לסייע בפתרון בעיות חישוב כאלה עבור שיטות אב initio. "בעיה זו נפתרת על ידי השיטה החדשה של התאמת תפקודי גל על ​​ידי מיפוי הבעיה המסובכת בקירוב ראשון למערכת מודל פשוטה שאין לה תנודות סימנים כאלה ולאחר מכן טיפול בהבדלים בתורת ההפרעות", אומר פרופ' Ulf-G. מייסנר ממכון הלמהולץ לקרינה ופיזיקה גרעינית באוניברסיטת בון ומהמכון לפיזיקה גרעינית ומהמרכז לסימולציה וניתוח מתקדמים ב-Forschungszentrum Jülich. "כדוגמה, חושבו המסות והרדיוסים של כל הגרעינים עד מסה מספר 50 – והתוצאות תואמות את המדידות", מדווח מייסנר, שהוא גם חבר בתחומי המחקר הטרנס-דיסציפלינריים "דוגמנות" ו"חומר" ב- אוניברסיטת בון.

"בתאוריית הגוף הרב-קוונטי, אנו מתמודדים לעתים קרובות עם המצב שאנו יכולים לבצע חישובים באמצעות אינטראקציה משוערת פשוטה, אך אינטראקציות מציאותיות בנאמנות גבוהה גורמות לבעיות חישוביות חמורות", אומר דין לי, פרופסור לפיזיקה מהמתקן לנדיר Istope Beams והמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה (FRIB) באוניברסיטת מישיגן סטייט וראש המחלקה למדעי הגרעין התיאורטיים.

יישומים מעשיים וצפי עתידי

התאמת פונקציות גל פותרת בעיה זו על ידי הסרת החלק למרחקים קצרים של אינטראקציית הנאמנות הגבוהה והחלפתו בחלק למרחקים קצרים של אינטראקציה ניתנת לחישוב בקלות. טרנספורמציה זו נעשית באופן שמשמר את כל המאפיינים החשובים של האינטראקציה הריאליסטית המקורית. מכיוון שפונקציות הגל החדשות דומות לאלו של האינטראקציה הניתנת לחישוב בקלות, החוקרים יכולים כעת לבצע חישובים עם האינטראקציה הניתנת לחישוב בקלות וליישם נוהל סטנדרטי לטיפול בתיקונים קטנים – הנקרא תיאוריית הפרעות.

צוות המחקר יישם שיטה חדשה זו לסימולציות קוונטיות מונטה קרלו סריג עבור גרעינים קלים, גרעינים במסה בינונית, חומר נויטרונים וחומר גרעיני. באמצעות חישובים מדויקים מתחילת הדרך, התוצאות תאמו באופן הדוק את נתוני העולם האמיתי על מאפיינים גרעיניים כגון גודל, מבנה ואנרגיה מחייבת. חישובים שפעם היו בלתי אפשריים בגלל בעיית הסימנים יכולים להתבצע כעת עם התאמת פונקציות גל.

בעוד שצוות המחקר התמקד אך ורק בסימולציות קוונטיות של מונטה קרלו, התאמת פונקציות גל אמורה להיות שימושית עבור גישות רבות ושונות אב initio. "ניתן להשתמש בשיטה זו הן במחשוב קלאסי והן מחשוב קוונטילמשל, לחזות טוב יותר את המאפיינים של חומרים טופולוגיים כביכול, שחשובים למחשוב קוונטי", אומר מייסנר.

הכותב הראשון הוא פרופ' ד"ר סרדר אלחטיסרי, שעבד במשך שנתיים כעמית ב-ERC Advanced Grant EXOTIC של פרופ' מייסנר. לדברי מייסנר, חלק גדול מהעבודות בוצע בתקופה זו. חלק מזמן המחשוב במחשבי-על ב-Forschungszentrum Jülich סופק על ידי מכון IAS-4, שבראשו עומד מייסנר.

המחבר הראשון, פרופ' ד"ר סרדר אלחטיסרי, מגיע מאוניברסיטת בון ומאוניברסיטת גזיאנטפ איסלאם למדע וטכנולוגיה (טורקיה). תרומות משמעותיות נעשו גם באוניברסיטת מישיגן סטייט. משתתפים נוספים כוללים את אוניברסיטת רוהר בוכום, אוניברסיטת דרום סין הרגילה (סין), המכון למדע בסיסי בדאג'ון (דרום קוריאה), אוניברסיטת סאן יאט-סן בגואנגג'ואו (סין), בית הספר לתואר שני של סין האקדמיה לפיזיקה הנדסית בבייג'ינג ( סין), אוניברסיטת מיסיסיפי סטייט (ארה"ב) ואוניברסיטת פריז-סקליי (צרפת). המחקר מומן על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, הקרן הלאומית למדע בארה"ב, קרן המחקר הגרמנית, הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, יוזמת המלגות הבינלאומית של הנשיא האקדמיה הסינית למדעים, קרן פולקסווגן, מועצת המחקר האירופית, מועצת המחקר המדעי והטכנולוגי של טורקיה, הקרן האקדמית לביטחון לאומי, פרויקט מדעי האיזוטופים הנדיר של המכון למדע בסיסי, קרן המחקר הלאומית של קוריאה, המכון למדע בסיסי וה-Espace de Structure et de reaktions Nucleaires Theorique.