Questo problema è stato ora risolto da un team internazionale di ricercatori provenienti da Germania, Turchia, Stati Uniti, Cina, Corea del Sud e Francia utilizzando il nuovo metodo di corrispondenza delle funzioni d’onda. Ad esempio, utilizzando questo metodo sono stati calcolati le masse e i raggi di tutti i nuclei fino al numero di massa 50. I risultati concordano con le misurazioni, riferiscono ora i ricercatori sulla rivista Nature .

Tutta la materia sulla Terra è costituita da minuscole particelle conosciute come atomi. Ogni atomo contiene particelle ancora più piccole:protoni, neutroni ed elettroni. Ognuna di queste particelle segue le regole della meccanica quantistica. La meccanica quantistica costituisce la base della teoria quantistica a molti corpi, che descrive sistemi con molte particelle, come i nuclei atomici.

Una classe di metodi utilizzati dai fisici nucleari per studiare i nuclei atomici è l'approccio ab initio. Descrive sistemi complessi partendo dalla descrizione dei loro componenti elementari e delle loro interazioni. Nel caso della fisica nucleare, i componenti elementari sono protoni e neutroni. Alcune domande chiave a cui i calcoli ab initio possono aiutare a rispondere sono le energie e le proprietà di legame dei nuclei atomici e il collegamento tra la struttura nucleare e le interazioni sottostanti tra protoni e neutroni.

Tuttavia, questi metodi ab initio hanno difficoltà nell’eseguire calcoli affidabili per sistemi con interazioni complesse. Uno di questi metodi sono le simulazioni Monte Carlo quantistiche. Qui, le quantità vengono calcolate utilizzando processi casuali o stocastici.

Sebbene le simulazioni Monte Carlo quantistiche possano essere efficienti e potenti, hanno un punto debole significativo:il problema dei segni. Nasce in processi con pesi positivi e negativi, che si annullano a vicenda. Questa cancellazione porta a previsioni finali imprecise.

Un nuovo approccio, noto come corrispondenza delle funzioni d'onda, ha lo scopo di aiutare a risolvere tali problemi di calcolo per i metodi ab initio.

"Questo problema viene risolto con il nuovo metodo di corrispondenza delle funzioni d'onda, mappando il complicato problema in prima approssimazione su un semplice sistema modello che non presenta tali oscillazioni di segno e poi trattando le differenze nella teoria delle perturbazioni", afferma il Prof. Ulf-G. Meißner dell'Istituto Helmholtz per le radiazioni e la fisica nucleare dell'Università di Bonn e dell'Istituto di fisica nucleare e del Centro per la simulazione e l'analisi avanzate del Forschungszentrum Jülich.

"Ad esempio, sono state calcolate le masse e i raggi di tutti i nuclei fino al numero di massa 50 – e i risultati concordano con le misurazioni", riferisce Meißner, che è anche membro dei settori di ricerca transdisciplinari "Modeling" e "Matter" presso l'Università di Bonn.

"Nella teoria quantistica a molti corpi, ci troviamo spesso di fronte alla situazione in cui possiamo eseguire calcoli utilizzando una semplice interazione approssimata, ma interazioni realistiche ad alta fedeltà causano gravi problemi computazionali", afferma Dean Lee, professore di fisica presso la Facility for Rare Istope Beams e Dipartimento di Fisica e Astronomia (FRIB) presso la Michigan State University e capo del Dipartimento di Scienze Nucleari Teoriche.

L'abbinamento delle funzioni d'onda risolve questo problema rimuovendo la parte a breve distanza dell'interazione ad alta fedeltà e sostituendola con la parte a breve distanza di un'interazione facilmente calcolabile. Questa trasformazione viene eseguita in modo da preservare tutte le proprietà importanti dell'interazione realistica originale.

Poiché le nuove funzioni d'onda sono simili a quelle dell'interazione facilmente calcolabile, i ricercatori possono ora eseguire calcoli con l'interazione facilmente calcolabile e applicare una procedura standard per gestire piccole correzioni, chiamata teoria delle perturbazioni.

Il gruppo di ricerca ha applicato questo nuovo metodo alle simulazioni Monte Carlo quantistiche reticolari per nuclei leggeri, nuclei di massa media, materia di neutroni e materia nucleare. Utilizzando precisi calcoli ab initio, i risultati corrispondevano strettamente ai dati del mondo reale sulle proprietà nucleari come dimensioni, struttura ed energia di legame. I calcoli che una volta erano impossibili a causa del problema del segno possono ora essere eseguiti con la corrispondenza della funzione d'onda.

Mentre il gruppo di ricerca si è concentrato esclusivamente sulle simulazioni quantistiche Monte Carlo, la corrispondenza delle funzioni d’onda dovrebbe essere utile per molti approcci diversi ab initio. "Questo metodo può essere utilizzato sia nell'informatica classica che nell'informatica quantistica, ad esempio, per prevedere meglio le proprietà dei cosiddetti materiali topologici, che sono importanti per l'informatica quantistica", afferma Meißner.

Il primo autore è il Prof. Dr. Serdar Elhatisari, che ha lavorato per due anni come Fellow nell'ERC Advanced Grant EXOTIC del Prof. Meißner. Secondo Meißner gran parte del lavoro è stato svolto in questo periodo. Una parte del tempo di elaborazione sui supercomputer del Forschungszentrum Jülich è stata fornita dall'istituto IAS-4, diretto da Meißner.