De nombreux matériaux quantiques ont été presque impossibles à simuler mathématiquement car le temps de calcul requis est trop long. Maintenant, un groupe de recherche commun à la Freie Universität Berlin et au Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Allemagne) a démontré un moyen de réduire considérablement le temps de calcul. Cela pourrait accélérer le développement de matériaux pour les technologies informatiques économes en énergie du futur.

Les superordinateurs sont essentiels pour explorer des problèmes de recherche complexes. En principe, même de nouveaux matériaux peuvent être simulés dans des ordinateurs afin de calculer leurs propriétés magnétiques et thermiques ainsi que leurs transitions de phase. L'étalon-or pour ce type de modélisation est connu sous le nom de méthode de Monte Carlo quantique.

Dualisme onde-particule

Cependant, cette méthode a un problème intrinsèque :En raison du dualisme physique onde-particule des systèmes quantiques, chaque particule dans un composé à l'état solide possède non seulement des propriétés semblables à des particules telles que la masse et la quantité de mouvement, mais aussi des propriétés ondulatoires telles que la phase. Les interférences provoquent la superposition des "ondes" les unes sur les autres, de sorte qu'ils s'amplifient (s'ajoutent) ou s'annulent (se soustraient) localement. Cela rend les calculs extrêmement complexes. Il fait référence au problème de signe de la méthode quantique de Monte Carlo.

Minimisation du problème

"Le calcul des caractéristiques des matériaux quantiques coûte environ un million d'heures de CPU sur les ordinateurs centraux chaque jour, " dit le professeur Jens Eisert, qui dirige le groupe de recherche commun à la Freie Universität Berlin et à la HZB. "C'est une proportion très considérable du temps de calcul total disponible." Avec son équipe, le physicien théoricien a maintenant développé une procédure mathématique par laquelle le coût de calcul du problème de signe peut être considérablement réduit. "Nous montrons que les systèmes à l'état solide peuvent être vus sous des perspectives très différentes. Le problème du signe joue un rôle différent dans ces différentes perspectives. Il s'agit alors de traiter le système à l'état solide de telle manière que le problème du signe soit minimisé, " explique Dominik Hangleiter, premier auteur de l'étude qui vient d'être publiée dans Avancées scientifiques .

Des systèmes de spin simples aux plus complexes

Pour les systèmes à semi-conducteurs simples avec des spins, qui forment ce qu'on appelle les échelles Heisenberg, cette approche a permis à l'équipe de réduire considérablement le temps de calcul du problème de signe. Cependant, l'outil mathématique peut également être appliqué à des systèmes de spins plus complexes et promet un calcul plus rapide de leurs propriétés.

"Cela nous fournit une nouvelle méthode pour le développement accéléré de matériaux avec des propriétés de spin spéciales, " dit Eisert. Ces types de matériaux pourraient trouver une application dans les futures technologies informatiques pour lesquelles les données doivent être traitées et stockées avec une dépense d'énergie considérablement moindre.