Muitos materiais quânticos têm sido quase impossíveis de simular matematicamente porque o tempo de computação necessário é muito longo. Agora, um grupo de pesquisa conjunto na Freie Universität Berlin e no Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Alemanha) demonstrou uma maneira de reduzir consideravelmente o tempo de computação. Isso poderia acelerar o desenvolvimento de materiais para tecnologias de TI com eficiência energética do futuro.

Supercomputadores são vitais para explorar problemas complexos de pesquisa. Em princípio, mesmo novos materiais podem ser simulados em computadores para calcular suas propriedades magnéticas e térmicas, bem como suas transições de fase. O padrão ouro para esse tipo de modelagem é conhecido como método quântico de Monte Carlo.

Dualismo Onda-Partícula

Contudo, este método tem um problema intrínseco:devido ao dualismo físico onda-partícula dos sistemas quânticos, cada partícula em um composto de estado sólido não possui apenas propriedades semelhantes às das partículas, como massa e quantidade de movimento, mas também propriedades semelhantes a ondas, como fase. A interferência faz com que as "ondas" se sobreponham, de modo que eles amplificam (adicionam) ou cancelam (subtraem) um ao outro localmente. Isso torna os cálculos extremamente complexos. Refere-se ao problema do sinal do método quântico de Monte Carlo.

Minimização do problema

"O cálculo das características do material quântico custa cerca de um milhão de horas de CPU em computadores mainframe todos os dias, "diz o Prof. Jens Eisert, que dirige o grupo de pesquisa conjunta da Freie Universität Berlin e do HZB. "Esta é uma proporção muito considerável do tempo total de computação disponível." Junto com sua equipe, o físico teórico desenvolveu agora um procedimento matemático pelo qual o custo computacional do problema do sinal pode ser bastante reduzido. “Mostramos que os sistemas de estado sólido podem ser vistos de perspectivas muito diferentes. O problema do sinal desempenha um papel diferente nessas diferentes perspectivas. É então uma questão de lidar com o sistema de estado sólido de tal forma que o problema do sinal seja minimizado, "explica Dominik Hangleiter, primeiro autor do estudo que agora foi publicado em Avanços da Ciência .

De sistemas de spin simples a outros mais complexos

Para sistemas de estado sólido simples com spins, que formam o que é conhecido como escadas de Heisenberg, esta abordagem permitiu à equipe reduzir consideravelmente o tempo computacional para o problema do sinal. Contudo, a ferramenta matemática também pode ser aplicada a sistemas de spin mais complexos e promete cálculo mais rápido de suas propriedades.

"Isso nos fornece um novo método para o desenvolvimento acelerado de materiais com propriedades especiais de rotação, "diz Eisert. Esses tipos de materiais podem encontrar aplicação em tecnologias de TI futuras, para as quais os dados devem ser processados ​​e armazenados com um gasto consideravelmente menor de energia.