Cahaya

Perhitungan 10.000 kali lebih cepat untuk quantum many-body

Photo by Miguel Á. Padriñán from Pexels

Bagaimana elektron berperilaku dalam atom, atau bagaimana elektron itu bergerak dalam padatan, dapat diprediksi dengan persamaan mekanika kuantum. Perhitungan teoritis ini sepenuhnya setuju dengan hasil yang diperoleh dari percobaan. Tetapi sistem kuantum kompleks, yang mengandung banyak elektron atau partikel elementer – seperti molekul, padatan, atau inti atom – saat ini tidak dapat dideskripsikan dengan tepat, bahkan dengan komputer paling kuat yang ada saat ini.

Persamaan matematika yang mendasarinya terlalu kompleks, dan persyaratan komputasi terlalu besar. Sebuah tim yang dipimpin oleh Profesor Michael Bonitz dari Institute of Theoretical Physics and Astrophysics di Kiel University (CAU) kini telah berhasil mengembangkan metode simulasi, yang memungkinkan perhitungan mekanika kuantum hingga sekitar 10.000 kali lebih cepat dari sebelumnya. Temuannya diterbitkan dalam edisi terbaru jurnal ilmiah Physical Review Letters.

Bahkan dengan komputer yang sangat kuat, simulasi kuantum memakan waktu terlalu lama

Prosedur baru itu didasarkan pada salah satu teknik simulasi yang paling kuat dan serbaguna saat ini untuk sistem quantum mechanical many-body. Ia menggunakan metode yang disebut nonequilibrium Green functions: ini memungkinkan pergerakan dan interaksi elektron yang rumit dijelaskan dengan akurasi sangat tinggi, bahkan untuk periode yang panjang. Namun, metode tersebut masih sangat computer-intensive: untuk memprediksi pengembangan sistem kuantum selama sepuluh kali lebih lama, komputer membutuhkan waktu pemrosesan seribu kali lebih banyak. Dengan trik matematika untuk memperkenalkan auxiliary variable tambahan, fisikawan di CAU kini berhasil merumuskan kembali persamaan utama dari nonequilibrium Green functions sehingga waktu perhitungan hanya meningkat secara linear dengan durasi proses. Dengan demikian, periode prediksi sepuluh kali lebih lama hanya membutuhkan waktu komputasi sepuluh kali lebih banyak. Dibandingkan dengan metode sebelumnya, fisikawan mencapai faktor percepatan sekitar 10.000. Faktor ini semakin meningkat untuk proses yang lebih lama. Karena pendekatan baru menggabungkan dua Green functions untuk pertama kalinya, disebut “G1-G2 method”.

Pengembangan temporal dari sifat material dapat diprediksi untuk pertama kalinya

Model perhitungan baru dari tim peneliti Kiel tidak hanya menghemat waktu komputasi, tetapi juga memungkinkan untuk simulasi, yang sebelumnya benar-benar mustahil. “Kami sendiri terkejut mengetahui akselerasi dramatis ini juga dapat ditunjukkan dalam aplikasi praktis,” jelas Bonitz. Misalnya, untuk memprediksi bagaimana sifat dan efek tertentu dalam material seperti semikonduktor berkembang selama periode waktu yang panjang sekarang menjadi mungkin. Bonitz menekankan: “Metode simulasi baru ini berlaku di berbagai bidang teori quantum many-body, dan akan memungkinkan prediksi baru secara kualitatif, seperti perilaku atom, molekul, plasma padat dan padatan setelah eksitasi oleh radiasi laser yang intens.”

Jurnal Referensi:
Niclas Schlünzen, Jan-Philip Joost, Michael Bonitz, Achieving the Scaling Limit for Nonequilibrium Green Functions Simulations, Physical Review Letters 124, 7, (2020) DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.076601

Tautan ke artikel asli: 10,000 times faster calculations of many-body quantum dynamics possible / Kiel University 

Diterjemahkan oleh saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan translasi menjadi tanggungjawab kami.