FRIB 研究人员是国际研究团队的一员，他们使用一种名为波函数匹配的新方法解决量子物理学中具有挑战性的计算问题。这种新方法可应用于核物理等领域，使以前不可能实现的原子核理论计算成为可能。详细信息发表在《自然》杂志上(“用于解决量子多体问题的波函数匹配”)。
从头算方法及其计算挑战
从头计算法从描述复杂系统的基本成分及其相互作用开始，描述复杂系统。对于核物理而言，基本成分是质子和中子。从头计算法可以帮助解决的一些关键问题是尚未观察到的原子核的结合能和性质，以及将核结构与质子和中子之间的潜在相互作用联系起来。
然而，一些从头算方法难以对具有复杂相互作用的系统进行可靠的计算。量子蒙特卡罗模拟就是这样一种方法。在量子蒙特卡罗模拟中，数量是使用随机或随机过程计算的。虽然量子蒙特卡罗模拟既高效又强大，但它们有一个明显的弱点：符号问题。当正负权重贡献相互抵消时，就会出现符号问题。这种抵消会导致最终预测不准确。通常情况下，量子蒙特卡罗模拟可以针对近似或简化的相互作用进行，但针对真实相互作用的相应模拟会产生严重的符号问题，因此无法实现。
利用“整形手术”实现计算
新的波函数匹配方法旨在解决此类计算问题。研究团队成员来自土耳其加济安泰普伊斯兰科技大学、德国波恩大学、波鸿鲁尔大学和于利希研究中心、韩国基础科学研究所、中国华南师范大学、中山大学和中国工程物理研究院研究生院、格鲁吉亚第比利斯国立大学、法国巴黎萨克雷原子能委员会和巴黎萨克雷大学、密西西比州立大学和密歇根州立大学稀有同位素束设施 (FRIB)。研究团队成员包括FRIB 物理学教授、密歇根州立大学物理与天文系教授兼理论核科学系主任Dean Lee和 FRIB 博士后研究员Yuan-Zhuo Ma。
“我们经常遇到这样的情况：我们可以使用简单的近似相互作用进行计算，但现实的高保真相互作用会导致严重的计算问题，”李说。“波函数匹配通过整形手术解决了这个问题。它移除了高保真相互作用的短距离部分，并用易于计算的相互作用的短距离部分取而代之。”
这种转换保留了原始现实相互作用的所有重要属性。由于新的波函数看起来与易于计算的相互作用的波函数相似，研究人员现在可以使用易于计算的相互作用进行计算，并应用一种处理称为微扰理论的小修正的标准程序。
团队努力
研究团队将这一新方法应用于轻核、中等质量核、中子物质和核物质的晶格量子蒙特卡罗模拟。通过精确的从头计算，结果与核特性(例如大小、结构和结合能)的真实数据非常吻合。过去由于符号问题而无法进行的计算现在可以通过波函数匹配进行。
马云表示：“这是一个很棒的项目，也是一个与 FRIB 和全球最优秀的核科学家合作的绝佳机会。”“作为一名理论家，我也很高兴能够在世界上最强大的百亿亿次超级计算机上编程和开展研究，例如Frontier，它使我们能够实现波函数匹配，以探索核物理的奥秘。”
虽然研究团队只专注于量子蒙特卡罗模拟，但波函数匹配应该对许多不同的从头算方法有用，包括经典计算和量子计算。FRIB 的研究人员与中国、法国、德国、韩国、土耳其和美国的机构的合作者合作。
“这项工作是多年来努力解决与现实高保真核相互作用相关的计算问题的结果，”Lee 说道。“看到计算问题通过这种新方法得到彻底解决，我们感到非常满意。我们感谢所有为该项目做出贡献的合作成员，特别是主要作者 Serdar Elhatisari。”
本材料基于美国能源部、美国国家科学基金会、德国研究基金会、中国国家自然科学基金会、中国科学院院长国际奖学金计划、大众汽车基金会、欧洲研究理事会、土耳其科学技术研究理事会、中国国家自然科学基金会、国家安全学术基金、基础科学研究所稀有同位素科学项目、韩国国家研究基金会、基础科学研究所和理论核结构与反应空间资助的工作。
密歇根州立大学运营稀有同位素束设施 (FRIB)，作为美国能源部科学办公室 (DOE-SC) 的用户设施，支持 DOE-SC 核物理办公室的使命。FRIB 拥有最强大的重离子加速器，使科学家能够发现稀有同位素的特性，从而更好地了解原子核物理学、核天体物理学、基本相互作用以及社会应用，包括医学、国土安全和工业。