该技术产生的量子相变的两个“图谱”。不同的颜色代表不同的阶段或不同阶段之间的过渡。图片来源：Warren， Sager-Smith， Mazziotti/UChicago

从水沸腾成蒸汽到冰块在玻璃杯中融化，我们都在日常生活中看到了被称为相变的现象。但还有另一种类型的相变更难看到，但同样明显：量子相变。

当冷却到接近绝对零度时，某些材料可以经历这些量子相变，这会使物理学家的下巴掉下来。这种材料可以从磁性转变为非磁性，或者它可以突然获得超能力来导电，而零能量损失为热量。

即使对于超级计算机来说，这些转变背后的数学也很难处理 - 但芝加哥大学的一项新物理评论研究表明，一种处理这些复杂计算的新方法，最终可能会产生技术突破。该快捷方式仅将最重要的信息提取到方程中，并创建正在模拟的系统中所有可能的相变的“映射”。

“这是一种潜在的研究量子相变的强大方法，可以与传统或量子计算机一起使用，”芝加哥大学化学系和詹姆斯弗兰克研究所的理论化学家David Mazziotti说，他是该研究的资深作者。

他和其他科学家认为，如果我们能够完全理解量子相变背后的复杂物理学，我们就可以打开通往新技术的大门。例如，过去的类似发现导致了MRI机器和晶体管，使现代计算机和手机成为可能。

简化的方法

您熟悉的相变，如蒸发和冷凝，是由于温度变化而发生的。但量子相变是由环境中的一些干扰触发的，例如磁场。

这种现象的发生是由于许多电子相互作用彼此关系的结果 - 这种相互作用属于一种臭名昭着的复杂子领域，称为“强相关”物理学。传统上，为了模拟这些量子相变，科学家必须创建一个模型，该模型包含每个电子的可能性。但是，运行这些模拟所需的计算能力很快就会失控。

量子计算机被认为比传统计算机更适合这类问题，但即使这种方法也有其障碍：例如，这些问题会产生大量数据，然后需要将其翻译回“常规”计算机的语言，以便科学家使用它们。

因此，研究人员想看看如何在不损失准确性的情况下简化计算。

他们没有创建一个计算给定量子系统中的每个变量的模拟，而是发现了一种不同的方法：用一组描述每对电子之间可能相互作用的数字代替。这被称为“双电子还原密度矩阵”。

“通过测量描述双电子还原密度矩阵的集合，我们最终创建了量子系统可以经历的所有不同相的地图，”该研究的第一作者，研究生Sam Warren解释说。

他说，这个“地图”本身也提供了有用的好处：“它允许你看到可能错过的过渡，它创造了一个非常强大的可视化，让你轻松快速地掌握系统的高级概述。

该团队尝试使用该方法对几种不同类型的相变进行建模，发现它与传统的、数据密集型的方法一样准确。

“它为我们提供了理解系统所需的基础物理学，同时最大限度地减少了计算需求，”该研究的第二作者，研究生LeeAnn Sager-Smith说。

Mazziotti希望这种方法不仅对在量子计算机上运行模拟有用，而且对发展我们对量子相变的整体理解有用。“有些领域一直没有得到充分的探索，因为它们很难建模，”他说。“我希望这种方法可以打开一些新的大门。

更多信息：Samuel Warren等人，使用还原密度矩阵的凸几何进行量子相变的量子模拟，物理评论A（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevA.106.012434