Para peneliti telah mengembangkan metode baru yang disebut pencocokan fungsi gelombang untuk mengatasi masalah tanda dalam simulasi Monte Carlo, masalah umum dalam fisika banyak benda kuantum. Dengan menyederhanakan model interaksi dan menggunakan teori perturbasi untuk koreksinya, metode ini terbukti efektif dalam menghitung sifat nuklir seperti massa dan radius secara akurat. Hal ini menjanjikan penerapan yang lebih luas dalam komputasi kuantum dan bidang lainnya. Kredit: Prof. Serdar Elhatisari
Fungsi gelombang cocok untuk memecahkan masalah banyak benda kuantum.
Sistem yang berinteraksi kuat sangat penting dalam bidang fisika kuantum dan kimia kuantum. Simulasi Monte Carlo, salah satu jenis metode stokastik, banyak digunakan untuk mempelajari sistem ini. Namun, mereka menghadapi tantangan ketika menghadapi osilasi tanda. Tim peneliti internasional dari Jerman, Turki, Amerika Serikat, Tiongkok, Korea Selatan, dan Prancis telah mengatasi masalah ini dengan mengembangkan teknik baru yang disebut pencocokan fungsi gelombang.
Misalnya, massa dan jari-jari seluruh inti atom hingga nomor massa 50 dihitung menggunakan metode ini. Hasilnya sesuai dengan pengukuran, para peneliti kini melaporkannya di jurnal Alami.
Semua materi di bumi terdiri dari partikel-partikel kecil yang dikenal sebagai atom. Setiap atom mengandung partikel yang lebih kecil: proton, neutron, dan elektron. Setiap partikel mengikuti aturan mekanika kuantum. Mekanika kuantum adalah dasar teori banyak benda kuantum, yang menjelaskan sistem dengan banyak partikel, seperti inti atom.
Salah satu metode yang digunakan fisikawan nuklir untuk mempelajari inti atom adalah pendekatan ab initio. Ini menggambarkan sistem yang kompleks dengan memulai dari deskripsi komponen dasar dan interaksinya. Dalam fisika nuklir, komponen dasarnya adalah proton dan neutron. Beberapa pertanyaan kunci yang dapat dijawab dengan perhitungan ab initio adalah energi ikat dan sifat inti atom serta hubungan antara struktur inti dan interaksi fundamental antara proton dan neutron.
Tantangan dan Solusi dalam Simulasi Kuantum
Namun, metode ab initio ini mengalami kesulitan dalam melakukan penghitungan yang andal untuk sistem dengan interaksi yang kompleks. Salah satu metode tersebut adalah simulasi kuantum Monte Carlo. Di sini, kuantitas dihitung menggunakan proses acak atau stokastik. Meskipun simulasi kuantum Monte Carlo efisien dan kuat, simulasi ini memiliki kelemahan yang signifikan: masalah tanda. Tampaknya dalam proses dengan bobot positif dan negatif, yang saling meniadakan. Pembatalan ini menyebabkan prediksi akhir menjadi tidak akurat.
Pendekatan baru, yang dikenal sebagai pencocokan fungsi gelombang, dimaksudkan untuk membantu memecahkan masalah perhitungan metode ab initio. “Masalah ini diselesaikan dengan metode baru pencocokan fungsi gelombang dengan memetakan masalah rumit pada pendekatan pertama ke sistem model sederhana yang tidak memiliki tanda osilasi dan kemudian menangani perbedaan teori perturbasi,” kata Prof. Ulf-G. Meißner dari Institut Radiasi dan Fisika Nuklir Helmholtz di Universitas Bonn dan dari Institut Fisika Nuklir dan Pusat Simulasi dan Analisis Lanjutan di Forschungszentrum Jülich. “Misalnya, massa dan jari-jari semua inti hingga nomor massa 50 telah dihitung – dan hasilnya sesuai dengan pengukuran,” lapor Meißner, yang juga anggota Penelitian Transdisipliner “Pemodelan” dan “Material” Area di Universitas Bonn.
“Dalam teori banyak benda kuantum, kita sering dihadapkan pada situasi di mana kita dapat melakukan penghitungan menggunakan interaksi perkiraan sederhana, namun interaksi realistis dengan ketelitian tinggi menyebabkan masalah komputasi yang parah,” kata Dean Lee, Profesor Fisika di Fasilitas Balok Istop Langka. dan Departemen Fisika dan Astronomi (FRIB) di Michigan State University dan kepala Departemen Ilmu Nuklir Teoritis.
Penerapan Praktis dan Prospek Masa Depan
Pemasangan fungsi gelombang memecahkan masalah ini dengan menghilangkan bagian interaksi jarak pendek dengan presisi tinggi dan menggantinya dengan bagian interaksi jarak pendek yang mudah dihitung. Transformasi ini dilakukan dengan cara yang mempertahankan semua sifat penting dari interaksi realistis asli. Karena fungsi gelombang baru mirip dengan interaksi yang mudah dihitung, peneliti kini dapat melakukan perhitungan dengan interaksi yang mudah dihitung dan menerapkan prosedur standar untuk menangani koreksi kecil – yang disebut teori perturbasi.
Tim peneliti menerapkan metode baru ini untuk membuat kisi simulasi kuantum Monte Carlo untuk inti ringan, inti bermassa menengah, materi neutron, dan materi nuklir. Dengan menggunakan perhitungan ab initio yang tepat, hasilnya sangat sesuai dengan data dunia nyata mengenai sifat-sifat nuklir seperti ukuran, struktur, dan energi pengikat. Perhitungan yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan karena masalah tanda kini dapat dilakukan dengan pemasangan fungsi gelombang.
Meskipun tim peneliti berfokus secara eksklusif pada simulasi kuantum Monte Carlo, pencocokan fungsi gelombang seharusnya berguna untuk banyak pendekatan ab initio yang berbeda. “Metode ini dapat digunakan dalam komputasi klasik maupun klasik komputasi kuantummisalnya, untuk memprediksi dengan lebih baik sifat-sifat material topologi, yang penting untuk komputasi kuantum,” kata Meißner.
Referensi: “Pencocokan fungsi gelombang untuk memecahkan masalah banyak benda kuantum” oleh Serdar Elhatisari, Lukas Bovermann, Yuan-Zhuo Ma, Evgeny Epelbaum, Dillon Frame, Fabian Hildenbrand, Myungkuk Kim, Youngman Kim, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Dean Lee, Ning Li, Bing-Nan Lu, Wolf-G. Meißner, Gautam Rupak, Shihang Shen, Young-Ho Song dan Gianluca Stellin, 15 Mei 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-024-07422-z
Penulis pertama adalah Prof. Dr. Serdar Elhatisari, yang bekerja selama dua tahun sebagai Fellow di ERC Advanced Grant EXOTIC Prof. Meißner. Menurut Meißner, sebagian besar pekerjaan dilakukan pada masa ini. Sebagian waktu komputasi pada superkomputer di Forschungszentrum Jülich disediakan oleh institut IAS-4 yang dipimpin oleh Meißner.
Penulis pertama, Prof. Serdar Elhatisari, berasal dari Universitas Bonn dan Universitas Sains dan Teknologi Islam Gaziantep (Türkiye). Kontribusi signifikan juga diberikan di Michigan State University. Peserta lainnya antara lain Ruhr University Bochum, South China Normal University (China), Institute for Basic Science di Daejeon (Korea Selatan), Sun Yat-Sen University di Guangzhou (China), Graduate School of China Academy of Engineering Physics di Beijing (China). , Universitas Negeri Mississippi (AS) dan Université Paris-Saclay (Prancis). Penelitian ini didanai oleh Departemen Energi AS, Yayasan Sains Nasional AS, Yayasan Penelitian Jerman, Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok, Inisiatif Beasiswa Internasional Presiden dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Yayasan Volkswagen, Dewan Penelitian Eropa , dan Dewan Riset Eropa. Dewan Penelitian Ilmiah dan Teknologi Turki, Dana Akademik Keamanan Nasional, Proyek Sains Isotop Langka dari Institut Sains Dasar, Yayasan Penelitian Nasional Korea, Institut Sains Dasar dan Espace de Structure et de react Nucleaires Theorique.
NewsRoom.id
