Muchos materiales cuánticos han sido casi imposibles de simular matemáticamente porque el tiempo de cálculo requerido es demasiado largo. Ahora, un grupo de investigación conjunto en Freie Universität Berlin y Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Alemania) ha demostrado una forma de reducir considerablemente el tiempo de cálculo. Esto podría acelerar el desarrollo de materiales para las tecnologías de TI de eficiencia energética del futuro.

Las supercomputadoras son vitales para explorar problemas de investigación complejos. En principio, Incluso se pueden simular materiales nuevos en computadoras para calcular sus propiedades magnéticas y térmicas, así como sus transiciones de fase. El estándar de oro para este tipo de modelado se conoce como el método cuántico de Monte Carlo.

Dualismo onda-partícula

Sin embargo, este método tiene un problema intrínseco:debido al dualismo físico onda-partícula de los sistemas cuánticos, cada partícula en un compuesto de estado sólido no solo posee propiedades similares a las de las partículas, como la masa y el momento, pero también propiedades ondulantes como la fase. La interferencia hace que las "ondas" se superpongan entre sí, para que se amplifiquen (sumen) o se cancelen (resten) entre sí localmente. Esto hace que los cálculos sean extremadamente complejos. Se refiere al problema de los signos del método cuántico de Monte Carlo.

Minimización del problema

"El cálculo de las características del material cuántico cuesta alrededor de un millón de horas de CPU en computadoras mainframe todos los días, "dice el profesor Jens Eisert, quien dirige el grupo de investigación conjunto en Freie Universität Berlin y el HZB. "Esta es una proporción muy considerable del tiempo total de computación disponible". Junto con su equipo, el físico teórico ha desarrollado ahora un procedimiento matemático mediante el cual el costo computacional del problema de los signos puede reducirse en gran medida. "Demostramos que los sistemas de estado sólido pueden verse desde perspectivas muy diferentes. El problema de los signos juega un papel diferente en estas diferentes perspectivas. Se trata entonces de tratar con el sistema de estado sólido de tal manera que el problema de los signos sea minimizado, "explica Dominik Hangleiter, primer autor del estudio que ahora se ha publicado en Avances de la ciencia .

Desde sistemas de giro simples hasta sistemas más complejos

Para sistemas simples de estado sólido con espines, que forman lo que se conoce como escaleras de Heisenberg, este enfoque ha permitido al equipo reducir considerablemente el tiempo de cálculo para el problema de la señal. Sin embargo, la herramienta matemática también se puede aplicar a sistemas de espín más complejos y promete un cálculo más rápido de sus propiedades.

"Esto nos proporciona un nuevo método para el desarrollo acelerado de materiales con propiedades especiales de giro, ", dice Eisert. Estos tipos de materiales podrían encontrar aplicación en futuras tecnologías de TI para las que los datos deben procesarse y almacenarse con un gasto de energía considerablemente menor.