Comment se comporte un électron dans un atome, ou comment il se déplace dans un solide, peut être prédit avec précision avec les équations de la mécanique quantique. Ces calculs théoriques sont tout à fait en accord avec les résultats obtenus à partir des expériences. Mais les systèmes quantiques complexes, qui contiennent de nombreux électrons ou particules élémentaires, telles que des molécules, solides ou noyaux atomiques - ne peuvent actuellement pas être décrits exactement, même avec les ordinateurs les plus puissants disponibles aujourd'hui. Les équations mathématiques sous-jacentes sont trop complexes, et les exigences de calcul sont trop grandes. Une équipe dirigée par le professeur Michael Bonitz de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique de l'Université de Kiel (CAU) a maintenant réussi à développer une méthode de simulation, qui permet des calculs de mécanique quantique jusqu'à environ 10, 000 fois plus rapide qu'auparavant. Ils ont publié leurs découvertes dans le numéro actuel de la célèbre revue scientifique Lettres d'examen physique .

Même avec des ordinateurs extrêmement puissants, les simulations quantiques prennent trop de temps

La nouvelle procédure des chercheurs de Kiel est basée sur l'une des techniques de simulation actuellement les plus puissantes et les plus polyvalentes pour les systèmes de mécanique quantique à N corps. Il utilise la méthode des fonctions de Green dite hors d'équilibre :cela permet de décrire les mouvements et les interactions complexes des électrons avec une très grande précision, même pour une période prolongée. Cependant, à ce jour cette méthode est très gourmande en informatique :pour prédire l'évolution du système quantique sur une période dix fois plus longue, un ordinateur nécessite mille fois plus de temps de traitement.

Avec l'astuce mathématique d'introduire une variable auxiliaire supplémentaire, les physiciens du CAU ont maintenant réussi à reformuler les équations primaires des fonctions de Green hors d'équilibre de telle sorte que le temps de calcul n'augmente que linéairement avec la durée du processus. Ainsi, une période de prédiction dix fois plus longue ne nécessite que dix fois plus de temps de calcul. En comparaison avec les méthodes utilisées auparavant, les physiciens ont atteint un facteur d'accélération d'environ 10, 000. Ce facteur augmente encore pour les processus plus longs. Puisque la nouvelle approche combine pour la première fois deux fonctions vertes, elle est appelée "méthode G1-G2".

Développement temporel des propriétés des matériaux prévisible pour la première fois

Le nouveau modèle de calcul de l'équipe de recherche de Kiel permet non seulement d'économiser un temps de calcul coûteux, mais permet aussi des simulations, qui étaient auparavant totalement impossibles. « Nous avons été surpris nous-mêmes que cette accélération spectaculaire puisse également être démontrée dans des applications pratiques, " explique Bonitz. Par exemple, il est désormais possible de prédire comment certaines propriétés et effets de matériaux tels que les semi-conducteurs se développent sur une longue période de temps. Bonitz en est convaincu :« La nouvelle méthode de simulation est applicable dans de nombreux domaines de la théorie quantique à N corps, et permettra des prédictions qualitativement nouvelles, comme sur le comportement des atomes, molécules, plasmas denses et solides après excitation par un rayonnement laser intense."