Stark wechselwirkende Systeme spielen in der Quantenphysik und Quantenchemie eine wichtige Rolle. Stochastische Methoden wie Monte-Carlo-Simulationen sind eine bewährte Methode zur Untersuchung solcher Systeme. Allerdings stoßen diese Methoden an ihre Grenzen, wenn sogenannte Vorzeichenschwingungen auftreten.
Dieses Problem hat nun ein internationales Forscherteam aus Deutschland, der Türkei, den USA, China, Südkorea und Frankreich mit der neuen Methode des Wellenfunktions-Matchings gelöst. Beispielsweise wurden mit dieser Methode die Massen und Radien aller Kerne bis zur Massenzahl 50 berechnet. Die Ergebnisse stimmen mit den Messungen überein, stellen die Forscher nun fest Bericht im Tagebuch Natur.
Sämtliche Materie auf der Erde besteht aus winzigen Teilchen, den sogenannten Atomen. Jedes Atom enthält noch kleinere Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Jedes dieser Teilchen folgt den Regeln der Quantenmechanik. Die Quantenmechanik bildet die Grundlage der Quanten-Vielteilchentheorie, die Systeme mit vielen Teilchen, beispielsweise Atomkernen, beschreibt.
Eine Klasse von Methoden, die Kernphysiker zur Untersuchung von Atomkernen verwenden, ist der Ab-initio-Ansatz. Es beschreibt komplexe Systeme, indem es von einer Beschreibung ihrer elementaren Komponenten und ihrer Wechselwirkungen ausgeht. In der Kernphysik sind die elementaren Bestandteile Protonen und Neutronen. Einige Schlüsselfragen, die Ab-initio-Berechnungen beantworten können, sind die Bindungsenergien und -eigenschaften von Atomkernen sowie der Zusammenhang zwischen der Kernstruktur und den zugrunde liegenden Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen.
Allerdings haben diese Ab-initio-Methoden Schwierigkeiten, zuverlässige Berechnungen für Systeme mit komplexen Wechselwirkungen durchzuführen. Eine dieser Methoden sind Quanten-Monte-Carlo-Simulationen. Hierbei werden Mengen über zufällige oder stochastische Verfahren berechnet.
Obwohl Quanten-Monte-Carlo-Simulationen effizient und leistungsstark sein können, haben sie eine erhebliche Schwäche: das Vorzeichenproblem. Es entsteht in Prozessen mit positivem und negativem Gewicht, die sich gegenseitig aufheben. Diese Annullierung führt zu ungenauen endgültigen Vorhersagen.
Ein neuer Ansatz, das sogenannte Wavefunction Matching, soll dabei helfen, solche Berechnungsprobleme für Ab-initio-Methoden zu lösen.
„Dieses Problem wird durch die neue Methode des Wellenfunktions-Matchings gelöst, indem das komplizierte Problem in erster Näherung auf ein einfaches Modellsystem abgebildet wird, das solche Vorzeichenschwingungen nicht aufweist, und die Unterschiede dann störungstheoretisch behandelt werden“, sagt Prof. Ulf-G. Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn sowie vom Institut für Kernphysik und dem Center for Advanced Simulation and Analytics des Forschungszentrums Jülich.
„Als Beispiel wurden die Massen und Radien aller Kerne bis zur Massenzahl 50 berechnet – und die Ergebnisse stimmen mit den Messungen überein“, berichtet Meißner, der auch Mitglied der transdisziplinären Forschungsbereiche „Modellierung“ und „Materie“ ist der Universität Bonn.
„In der Quanten-Vielteilchentheorie sind wir oft mit der Situation konfrontiert, dass wir Berechnungen mithilfe einer einfachen Näherungswechselwirkung durchführen können, realistische Wechselwirkungen mit hoher Wiedergabetreue jedoch schwerwiegende Rechenprobleme verursachen“, sagt Dean Lee, Professor für Physik an der Facility for Rare Istope Beams und Department of Physics and Astronomy (FRIB) an der Michigan State University und Leiter der Abteilung für Theoretische Nuklearwissenschaften.
Das Wellenfunktions-Matching löst dieses Problem, indem der Kurzstreckenteil der High-Fidelity-Wechselwirkung entfernt und durch den Kurzstreckenteil einer leicht berechenbaren Wechselwirkung ersetzt wird. Diese Transformation erfolgt so, dass alle wichtigen Eigenschaften der ursprünglichen realistischen Interaktion erhalten bleiben.
Da die neuen Wellenfunktionen denen der leicht berechenbaren Wechselwirkung ähneln, können die Forscher nun Berechnungen mit der leicht berechenbaren Wechselwirkung durchführen und ein Standardverfahren zur Behandlung kleiner Korrekturen anwenden – die sogenannte Störungstheorie.
Das Forschungsteam wandte diese neue Methode auf Gitterquanten-Monte-Carlo-Simulationen für leichte Kerne, Kerne mittlerer Masse, Neutronenmaterie und Kernmaterie an. Mithilfe präziser Ab-initio-Berechnungen stimmten die Ergebnisse weitgehend mit realen Daten zu Kerneigenschaften wie Größe, Struktur und Bindungsenergie überein. Berechnungen, die früher aufgrund des Vorzeichenproblems unmöglich waren, können jetzt mit Wellenfunktionsanpassung durchgeführt werden.
Während sich das Forschungsteam ausschließlich auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen konzentrierte, sollte die Wellenfunktionsanpassung für viele verschiedene Ab-initio-Ansätze nützlich sein. „Diese Methode kann sowohl im klassischen Computing als auch im Quantencomputing eingesetzt werden, um beispielsweise die für das Quantencomputing wichtigen Eigenschaften sogenannter topologischer Materialien besser vorherzusagen“, sagt Meißner.
Erstautor ist Prof. Dr. Serdar Elhatisari, der zwei Jahre lang als Fellow im ERC Advanced Grant EXOTIC von Prof. Meißner tätig war. Ein Großteil der Arbeiten wurde laut Meißner in dieser Zeit durchgeführt. Ein Teil der Rechenzeit auf Supercomputern im Forschungszentrum Jülich wurde vom IAS-4-Institut bereitgestellt, das Meißner leitet.
Mehr Informationen:
Serdar Elhatisari et al., Wellenfunktionsanpassung zur Lösung von Quanten-Vielteilchenproblemen, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07422-z