Les physiciens ont développé une nouvelle méthode qui permet d'émuler des calculs complexes à la vitesse de l'éclair. Cela pourrait donner de nouvelles informations sur les propriétés quantiques de la matière en interaction forte, comme les noyaux atomiques et les étoiles à neutrons. Crédit :Andreas Ekström et Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Un calcul si complexe qu'il faut 20 ans pour le terminer sur un ordinateur de bureau puissant peut désormais être effectué en une heure sur un ordinateur portable ordinaire. Le physicien Andreas Ekström de l'Université de technologie de Chalmers, avec des collègues de recherche internationaux, a conçu une nouvelle méthode pour calculer les propriétés des noyaux atomiques incroyablement rapidement.
La nouvelle approche est basée sur un concept appelé émulation, où un calcul approximatif remplace un calcul complet et plus complexe. Bien que les chercheurs prennent un raccourci, la solution est presque exactement la même. Cela rappelle les algorithmes du machine learning, mais finalement les chercheurs ont conçu une méthode complètement nouvelle. Il ouvre encore plus de possibilités en recherche fondamentale dans des domaines comme la physique nucléaire.
"Maintenant que nous pouvons émuler des noyaux atomiques en utilisant cette méthode, nous avons un tout nouvel outil pour construire et analyser des descriptions théoriques des forces entre protons et neutrons à l'intérieur du noyau atomique, " déclare Andreas Ekström, responsable de la recherche, Professeur agrégé au Département de physique de Chalmers.
Fondamental pour comprendre notre existence
Le sujet peut sembler niche, mais elle est en fait fondamentale pour comprendre notre existence, la stabilité et l'origine de la matière visible. La majeure partie de la masse atomique réside au centre de l'atome, dans une région dense appelée noyau atomique. Les particules constitutives du noyau, les protons et les neutrons, sont maintenus ensemble par ce qu'on appelle la force forte. Bien que cette force soit si centrale à notre existence, personne ne sait exactement comment cela fonctionne. Pour approfondir nos connaissances et démêler les propriétés fondamentales de la matière visible, les chercheurs doivent pouvoir modéliser les propriétés des noyaux atomiques avec une grande précision.
La recherche fondamentale sur laquelle Andreas Ekström et ses collègues travaillent jette un nouvel éclairage sur des sujets allant des étoiles à neutrons et de leurs propriétés, à la structure la plus interne et à la désintégration des noyaux. La recherche fondamentale en physique nucléaire apporte également une contribution essentielle à l'astrophysique, physique atomique, et la physique des particules.
Tracé de l'énergie et du rayon de l'isotope d'oxygène 16-O pour 100, 000 paramétrisations différentes de l'interaction nucléaire forte. En utilisant la nouvelle méthode, les résultats ont été générés en quelques minutes sur un ordinateur portable standard. Les lignes pointillées indiquent les valeurs des données expérimentales. Crédit :Andreas Ekström et Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Ouvrir des portes à de toutes nouvelles possibilités
« Je suis incroyablement heureux de pouvoir effectuer des calculs avec une telle précision et une telle efficacité. Par rapport à nos méthodes précédentes, c'est comme si nous calculions maintenant à la vitesse de l'éclair. Dans notre travail en cours ici à Chalmers, nous espérons améliorer encore la méthode d'émulation, et effectuer des analyses statistiques avancées de nos modèles de mécanique quantique. Avec cette méthode d'émulation, il semble que nous puissions obtenir des résultats qui étaient auparavant considérés comme impossibles. Cela ouvre certainement des portes à des possibilités complètement nouvelles, " dit Andreas Ekström.
En savoir plus sur le raccourci mathématique
La nouvelle méthode d'émulation est basée sur ce qu'on appelle la continuation des vecteurs propres (EVC). Il permet l'émulation de nombreuses propriétés mécaniques quantiques des noyaux atomiques avec une vitesse et une précision incroyables. Au lieu de résoudre directement le problème à plusieurs corps, long et complexe, encore et encore, les chercheurs ont créé un raccourci mathématique, en utilisant une transformation dans un sous-espace spécial. Cela permet d'utiliser quelques solutions exactes pour obtenir ensuite des solutions approchées beaucoup plus rapidement.
Si l'émulateur fonctionne bien, il génère des solutions qui sont presque exactement (environ 99 %) similaires aux solutions du problème d'origine. Ce sont à bien des égards les mêmes principes utilisés dans l'apprentissage automatique, mais il ne s'agit pas d'un réseau de neurones ou d'un processus gaussien – une méthode entièrement nouvelle le sous-tend. La méthode EVC pour l'émulation ne se limite pas aux noyaux atomiques, et les chercheurs étudient actuellement plus avant différents types d'applications.
