Forskare vid University at Buffalo har utökat den trunkerade Wigner-approximationen för att simulera komplexa kvantsystem på vanliga laptops, och kringgått behovet av superdatorer. Detta framsteg, som beskrivs i en septemberstudie i PRX Quantum, förenklar kvantdynamik för verkliga tillämpningar. Metoden riktar sig mot dissipativ spinn-dynamik och gör avancerad fysik tillgänglig för fler forskare.
Fysiker har länge förlitar sig på superdatorer eller artificiell intelligens för att modellera biljonen möjliga konfigurationer i kvantsystem. Men ett team vid University at Buffalo har uppgraderat den trunkerade Wigner-approximationen (TWA), en semiklassisk teknik från 1970-talet, för att hantera dessa utmaningar på konsumentdatorer.
Den utökade TWA gäller nu för dissipativ spinn-dynamik, där partiklar interagerar med externa krafter och förlorar energi, till skillnad från de isolerade system den tidigare begränsades till. "Vårt tillvägagångssätt erbjuder en betydligt lägre beräkningskostnad och en mycket enklare formulering av de dynamiska ekvationerna", säger korresponderande författare Jamir Marino, PhD, biträdande professor i fysik vid UB:s College of Arts and Sciences. Studien, publicerad i september i PRX Quantum av American Physical Society, omvandlar täta kvant-ekvationer till en användarvänlig konverteringstabell.
Marino, som anslöt sig till UB i höst efter att ha startat arbetet vid Johannes Gutenberg University Mainz i Tyskland, samarbetade med tidigare studenter Hossein Hosseinabadi och Oksana Chelpanova, nu postdoktoralforskare i hans UB-lab. Forskningen finansierades av National Science Foundation, German Research Foundation och Europeiska unionen.
Tidigare krävde tillämpning av TWA att man omledde komplex matematik för varje problem, vilket avskräckte från utbrett bruk. Nu kan "fysiker i princip lära sig denna metod på en dag, och vid tredje dagen kör de några av de mest komplexa problemen vi presenterar i studien", säger Chelpanova. Marino noterar: "Många grupper har försökt detta före oss. Det är känt att vissa komplicerade kvantsystem kan lösas effektivt med en semiklassisk metod. Men den verkliga utmaningen har varit att göra det tillgängligt och enkelt att utföra."
Detta verktyg syftar till att reservera superdatorer för system med tillstånd som överstiger antalet atomer i universum, och låter laptops hantera många kvantfenomen effektivt. Tidskriftsreferens: Hossein Hosseinabadi, Oksana Chelpanova, Jamir Marino. User-Friendly Truncated Wigner Approximation for Dissipative Spin Dynamics. PRX Quantum, 2025; 6 (3) DOI: 10.1103/1wwv-k7hg.