以闪电般的速度解决复杂的物理问题——在一小时内完成20年的计算

以闪电般的速度进行复杂的计算

物理学家已经开发出一种新的方法,能够以闪电般的速度模拟复杂的计算。这可能会对强相互作用物质(如原子核和中子星)的量子特性产生新的见解。插图:Andreas Ekström和Yen Strandqvist/Chalmers理工大学。资料来源:Andreas Ekström和Yen Strandqvist/Chalmers科技大学

在功能强大的台式电脑上需要20年才能完成的复杂计算,现在在普通笔记本电脑上只需一个小时就可以完成。物理学家安德烈亚斯Ekström在research-intensive university located in Gothenburg, Sweden that was founded in 1829 following a donation by William Chalmers, a director of the Swedish East India Company. It focuses on technology, science, architecture, and shipping." class="glossaryLink ">查尔默斯理工大学他与国际研究团队的同事们一起设计了一种新的方法,能够以极快的速度计算原子核的性质。

这种新方法基于一种叫做仿真的概念,用近似计算代替完整和更复杂的计算。尽管研究人员是在走捷径,但最终的解决方案几乎是一样的。这让人想起机器学习的算法,但最终研究人员设计了一种全新的方法。它为诸如核物理等基础研究领域开辟了更多的可能性。

“现在我们可以用这种方法模拟原子核,我们有了一个全新的工具来构建和分析原子核内质子和中子之间的力的理论描述,”研究负责人Andreas Ekström说,他是查尔默斯物理系的副教授。

这是理解人类存在的基础

这个主题听起来可能只是个小问题,但它实际上是理解我们的存在以及可见物质的稳定性和起源的基础。大部分的原子质量驻留在原子的中心原子在一个叫做原子核的高密度区域。组成原子核的粒子,质子和中子,被一种叫做强力的东西结合在一起。虽然这种力量对我们的存在至关重要,但没有人确切知道它是如何工作的。为了增加我们的知识,并揭示可见物质的基本属性,研究人员需要能够模拟原子核的属性精度

安德烈亚斯•埃克斯特龙

Andreas Ekström,副教授,物理系,查尔默斯科技大学照片:Anna-Lena Lundqvist/查尔默斯科技大学资料来源:Anna-Lena Lundqvist/Chalmers科技大学

安德烈亚斯Ekström和他的同事们正在进行的基础研究为从中子星及其性质到原子核的最内部结构和衰变等一系列课题提供了新的思路。核物理的基础研究也为天体物理、原子物理和粒子物理提供了必要的输入。

开启了通往全新可能性的大门

“我非常兴奋能够进行如此精确和高效的计算。与我们以前的方法相比,我们现在的计算速度就像闪电。在查尔默斯正在进行的工作中,我们希望进一步改进仿真方法,并对我们的量子力学模型进行高级统计分析。有了这种仿真方法,我们似乎可以达到以前认为不可能的结果。这当然为全新的可能性打开了大门,”Andreas Ekström说。

更多关于数学捷径

新的仿真方法是基于一种称为特征向量延续(EVC)的方法。它允许以令人难以置信的速度和精度模拟原子核的许多量子力学特性。研究人员利用转换到特殊子空间的方法,创造了一个数学捷径,而不是一遍又一遍地直接解决耗时且复杂的多体问题。这使得利用几个精确解来更快地获得近似解成为可能。

参数化强烈的核相互作用

图的能量和半径的氧同位素16-O为十万不同参数的强核相互作用。使用这种新方法,在一台标准笔记本电脑上几分钟内就能生成结果。虚线表示实验数据的值。插图:Andreas Ekström和Yen Strandqvist/Chalmers理工大学。资料来源:Andreas Ekström和Yen Strandqvist/Chalmers科技大学

如果模拟器工作良好,它生成的解决方案几乎完全(大约99%)类似于最初问题的解决方案。这在很多方面与机器学习中使用的原理相同,但它不是神经网络或高斯过程——一种全新的方法支撑它。EVC模拟方法并不局限于原子核,研究人员目前正在进一步研究不同类型的应用。

引用:

“特征向量延延作为不确定性量化的一种有效而准确的仿真器”,作者S. König, A. Ekström, K. Hebeler, D. Lee和A. Schwenk, 2020年9月30日,B物理快报
DOI: 10.1016 / j.physletb.2020.135814

2019年12月20日,Andreas Ekström和Gaute Hagen的《原子核体性质的全球敏感性分析》,物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.252501

1评论关于“以闪电般的速度解决复杂物理问题-一小时计算20年”

  1. 我为他们感到骄傲。我希望我能有机会测试一下。但是,如果他们让人们使用这个。这将是一个游戏规则的改变者。

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