26 de noviembre de 2019

Simulaciones ultrarrápidas de grandes sistemas cuánticos

Simulaciones ultrarrápidas de grandes sistemas cuánticos
Simulaciones ultrarrápidas de grandes sistemas cuánticos - CC0 PUBLIC DOMAIN

MADRID, 26 Nov. (EUROPA PRESS) -

Una nueva forma de simular sistemas cuánticos de muchas partículas permite la investigación de propiedades dinámicas en sistemas cuánticos completamente acoplados a iones que se mueven lentamente.

Investigadores de la Universidad de Warwick y la Universidad de Oxford han hecho que esta simulación de los electrones cuánticos sea tan rápida que podría durar mucho tiempo sin restricciones y el efecto de su movimiento sobre el movimiento de los iones lentos sería visible.

Reportado en la revista Science Advances, se basa en una formulación alternativa conocida de mecánica cuántica (dinámica de Bohm) que los científicos ahora han facultado para permitir el estudio de la dinámica de grandes sistemas cuánticos.

Se han estudiado muchos fenómenos cuánticos para partículas individuales o unas pocas que interactúan, ya que los grandes sistemas cuánticos complejos dominan las capacidades teóricas y computacionales de los científicos para hacer predicciones. Esto se complica por la gran diferencia en la escala de tiempo sobre la que actúan las diferentes especies de partículas: los iones evolucionan miles de veces más lentamente que los electrones debido a su mayor masa.

Para superar este problema, la mayoría de los métodos implican desacoplar electrones e iones e ignorar la dinámica de sus interacciones, pero esto limita severamente nuestro conocimiento sobre la dinámica cuántica.

Para desarrollar un método que permita a los científicos dar cuenta de las interacciones completas de iones de electrones, los investigadores revivieron una antigua formulación alternativa de mecánica cuántica desarrollada por David Bohm.

En mecánica cuántica, uno necesita conocer la función de onda de una partícula. Resulta que describirlo por la trayectoria media y una fase, como lo hizo Bohm, es muy ventajoso. Sin embargo, se necesitaron un juego adicional de aproximaciones y muchas pruebas para acelerar los cálculos tan dramáticos como sea necesario. De hecho, los nuevos métodos demostraron un aumento de la velocidad en más de un factor de 10,000 (cuatro órdenes de magnitud) pero aún es consistente con los cálculos previos para las propiedades estáticas de los sistemas cuánticos.

El nuevo enfoque se aplicó luego a una simulación de materia cálida y densa, un estado entre sólidos y plasmas calientes, que es conocido por su acoplamiento inherente de todos los tipos de partículas y la necesidad de una descripción cuántica. En tales sistemas, tanto los electrones como los iones pueden tener excitaciones en forma de ondas y ambas ondas se influenciarán entre sí. Aquí, el nuevo enfoque puede mostrar su fuerza y determinar la influencia de los electrones cuánticos en las ondas de los iones clásicos, mientras que se demostró que las propiedades estáticas coinciden con los datos anteriores.

Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son el núcleo de muchos problemas científicos que van desde la bioquímica compleja en nuestros cuerpos hasta el comportamiento de la materia dentro de grandes planetas o incluso desafíos tecnológicos como la superconductividad a alta temperatura o la energía de fusión que demuestra el posible rango de aplicaciones de nuevo enfoque.

El profesor Gianluca Gregori, de la Universidad de Oxford, quien dirigió la investigación, dijo: "La mecánica cuántica de Bohm a menudo ha sido tratada con escepticismo y controversia. Sin embargo, en su formulación original, esto es solo una reformulación diferente de la mecánica cuántica. La ventaja de emplear este formalismo es que diferentes aproximaciones se vuelven más simples de implementar y esto puede aumentar la velocidad y precisión de las simulaciones que involucran sistemas de muchos cuerpos".