布法罗大学的研究人员增强了一种计算效率高的技术，称为截断维格纳近似（TWA），这是一种简化量子数学的物理捷径，以解决以前被认为需要大量计算资源的问题。该研究发表在PRX Quantum上。
想象一下在量子水平上深入研究物质，微小粒子可以同时参与超过一万亿种构型。这绝非易事。物理学家经常依靠超级计算机或人工智能来模拟量子系统并探索其可能的状态。
物理学界多年来一直认识到这种可能性，但事实证明，将其变为现实更加复杂。
该研究提供了一个实用且易于访问的TWA模板，使物理学家能够输入他们的具体问题并在几个小时内获得可用的结果。
马里诺于今年秋天加入布法罗大学，他在德国美因茨约翰内斯古腾堡大学期间进行了这项研究。他在美因茨的两名前学生侯赛因·侯赛纳巴迪（Hossein Hosseinabdi）和奥克萨娜·切尔帕诺娃（Oksana Chelpanova）是这项研究的合著者。切尔帕诺娃现在是布法罗大学马里诺实验室的博士后研究员。
该研究获得了美国国家科学基金会、德国研究基金会和欧盟的资助。
采取半经典方法
并非每个量子系统都可以完全精确地求解。实现这一点是不切实际的，因为必要的计算能力会随着系统的复杂性呈指数级增长。
相反，物理学家经常使用所谓的半经典物理学，这是一种平衡的方法，可以保留足够的量子特性以确保准确性，同时省略对结果影响最小的细节。
截断维格纳近似（TWA）就是这样一种起源于1970年代的半经典方法，但它仅限于孤立的、理想化的量子系统，其中没有能量的增益或损失。
因此，Marino的团队将TWA调整为现实世界中遇到的更复杂的系统，其中粒子不断受到外力的影响并将能量耗散到环境中，这种现象称为耗散自旋动力学。
让量子动力学变得简单
试图利用TWA的研究人员遇到了非常复杂的问题。该团队将该方法应用于一个新的量子问题;他们被要求从头开始重新推导数学。
结果，Marino的团队将曾经一长串复杂且通常无法访问的数学表达式变成了一个简单的转换表，从而更容易将量子问题转换为可管理的方程。
“物理学家基本上可以在一天内学会这种方法，到大约第三天，他们就解决了我们在研究中提出的一些最复杂的问题，”Chelpanova说。
为大问题保存超级计算机
预计这种创新方法将为真正复杂的量子系统保留超级计算集群和人工智能模型。这些系统不能使用半经典方法来解决。它们不仅包含一万亿个势态，还包含超过宇宙中原子数量的态。
“很多看起来复杂的事情实际上并不复杂。物理学家可以在需要成熟量子方法的系统上使用超级计算资源，并通过我们的方法快速解决其余问题。”马里诺说。
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