Molti materiali quantistici sono stati quasi impossibili da simulare matematicamente perché il tempo di calcolo richiesto è troppo lungo. Ora, un gruppo di ricerca congiunto presso Freie Universität Berlin e Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Germania) ha dimostrato un modo per ridurre notevolmente il tempo di calcolo. Ciò potrebbe accelerare lo sviluppo di materiali per le tecnologie informatiche efficienti dal punto di vista energetico del futuro.

I supercomputer sono vitali per esplorare complessi problemi di ricerca. In linea di principio, anche nuovi materiali possono essere simulati nei computer per calcolare le loro proprietà magnetiche e termiche, nonché le loro transizioni di fase. Il gold standard per questo tipo di modellazione è noto come metodo Monte Carlo quantistico.

Dualismo onda-particella

Però, questo metodo ha un problema intrinseco:a causa del dualismo fisico onda-particella dei sistemi quantistici, ogni particella in un composto allo stato solido non solo possiede proprietà simili a particelle come massa e quantità di moto, ma anche proprietà ondulatorie come la fase. L'interferenza fa sì che le "onde" si sovrappongano l'una all'altra, in modo che si amplificano (si sommano) o si annullano (si sottraggono) a vicenda localmente. Questo rende i calcoli estremamente complessi. Si fa riferimento al problema dei segni del metodo quantistico Monte Carlo.

Minimizzazione del problema

"Il calcolo delle caratteristiche dei materiali quantistici costa circa un milione di ore di CPU sui computer mainframe ogni giorno, " afferma il prof. Jens Eisert, che dirige il gruppo di ricerca congiunto presso la Freie Universität Berlin e l'HZB. "Si tratta di una percentuale molto considerevole del tempo di elaborazione totale disponibile". Insieme alla sua squadra, il fisico teorico ha ora sviluppato una procedura matematica mediante la quale il costo computazionale del problema dei segni può essere notevolmente ridotto. "Mostriamo che i sistemi a stato solido possono essere visti da prospettive molto diverse. Il problema dei segni gioca un ruolo diverso in queste diverse prospettive. Si tratta quindi di trattare il sistema a stato solido in modo tale che il problema dei segni sia ridotto al minimo, " spiega Dominik Hangleiter, primo autore dello studio che ora è stato pubblicato in Progressi scientifici .

Dai semplici sistemi di spin a quelli più complessi

Per semplici sistemi a stato solido con spin, che formano le cosiddette scale di Heisenberg, questo approccio ha consentito al team di ridurre considerevolmente il tempo di calcolo per il problema del segno. Però, lo strumento matematico può essere applicato anche a sistemi di spin più complessi e promette un calcolo più rapido delle loro proprietà.

"Questo ci fornisce un nuovo metodo per lo sviluppo accelerato di materiali con speciali proprietà di spin, " dice Eisert. Questi tipi di materiali potrebbero trovare applicazione nelle future tecnologie IT per le quali i dati devono essere elaborati e archiviati con un dispendio di energia notevolmente inferiore.