超快速多体系统量子模拟，旧方法迎来新的转折

（文章来源：万象经验）

在一眨眼的时间里，物质中成千上万的粒子之间发生了数十亿次微小的相互作用。据说，全面模拟这些相互作用是难以捉摸的，但现在，来自牛津大学和华威大学的研究人员的新工作使之成为可能。华威大学和牛津大学的研究人员开发了一种新的方法来模拟许多粒子的量子系统，这种方法可以研究完全耦合于缓慢移动的离子的量子系统的动态特性。

实际上，他们已经使量子电子的模拟如此之快，以至于它可以不受限制地运行很长时间，而且它们的运动对慢离子运动的影响将是可见的。发表在《科学进展》杂志上的报告称，这是基于一个已知已久的量子力学替代公式(玻姆动力学)，科学家们现在已经授权该公式用于研究大型量子系统的动力学。

由于大型复杂量子系统超过了科学家进行预测的理论和计算能力，许多量子现象都是针对单个或少数相互作用的粒子进行研究的。由于不同粒子种类作用的时间尺度的巨大差异，这一现象变得复杂起来：由于离子质量较大，其演化速度比电子慢数千倍。为了克服这个问题，大多数方法都涉及到电子和离子的去耦，忽略了它们相互作用的动力学，但这严重限制了我们对量子动力学的了解。

为了开发一种能让科学家解释全电子-离子相互作用的方法，研究人员重新提出了大卫·玻姆提出的量子力学的一种旧的替代公式。在量子力学中，人们需要知道粒子的波函数。结果表明，用玻姆的平均轨迹和相位来描述它是非常有利的。然而，它采取了一系列额外的近似和许多测试来加快计算速度。事实上，新的方法显示速度增加了超过10000倍，但仍然与以前对量子系统静态性质的计算保持一致。

新方法随后被应用于热稠密物质（固体和热等离子体之间的一种状态）的模拟，这种状态以其所有粒子类型的固有耦合和对量子描述的需求而闻名。在这样的系统中，电子和离子都能以波的形式产生激发，并且这两种波会相互影响。在这里，新方法可以显示其强度，并确定量子电子对经典离子波的影响，同时证明静态性质与先前的数据一致。

多体量子系统是许多科学问题的核心，从我们体内复杂的生物化学到大行星内部物质的行为，甚至是技术挑战，如高温超导性或聚变能，这些都表明了新方法可能的应用范围。

领导这项调查的牛津大学教授吉安卢卡·格雷戈里说：“玻姆量子力学经常受到怀疑和争议。然而，在最初的公式中，这只是量子力学的另一种重新表述。采用这种形式主义的优点是，不同的近似变得更容易实现，这可以增加涉及多体系统的模拟的速度和准确性。”

沃里克大学的Dirk Gericke博士协助设计了新的计算机代码，他说：“随着数值效率的巨大提高，现在有可能跟踪完全相互作用电子-离子系统的全部动力学。因此，这种新方法为有效的解决方案开辟了新的问题类别。”

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