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求解薛定谔方程的新计算方法
发布日期:2018-05-14

一批密歇根州立大学专门从事量子计算的研究人员提出了一种全新的计算方法来解决复杂的多粒子薛定谔方程,该方程持有解释原子和分子中电子运动的关键。

通过了解这一动议的细节,人们可以确定在化学反应中将反应物转化为产物所需的能量或分子吸收的光的颜色,并最终加速新药物和材料的设计,更好的催化剂和更有效的能源。

这项由化学系特聘教授Piotr Piecuch和自然科学学院物理学和天文学系兼职教授领导的研究成果最近发表在Physical Review Letters上。参与这项工作的还有四年级研究生J. Emiliano Deustua和高级博士后副研究员Jun Shen。该小组提供了通过合并确定性耦合团簇和随机(随机确定)量子蒙特卡罗方法来获得高度精确的电子能量的新方法的细节。

“在解决电子薛定谔方程时,我们选择了第三种方法,而不是在求解电子薛定谔方程时坚持单一的哲学,”Piecuch说。 “正如其中一位评论者指出的那样,其本质非常简单:使用随机方法确定什么是重要的,确定重要的确定性方法,同时纠正由随机抽样遗漏的信息。”

解决薛定谔方程中的多电子波函数一直是量子化学几十年来的关键挑战。除了单电子问题以外的任何问题,如氢原子,都需要采用数值方法,转换成精密的计算机程序,比如由Piecuch和他的团队开发的程序。主要困难在于电子运动的固有复杂性,量子化学家和物理学家称之为“电子相关”。

新的想法是使用随机方法来识别主波函数分量和确定性耦合丛集计算,并结合适当的能量修正来提供缺失信息。确定性和随机性方法的合并作为解决多粒子薛定谔方程的一般方法也可能影响其他领域,如核物理。

“在核子的情况下,我们不用关心电子,而是用我们的新方法来求解质子和中子的薛定谔方程,”Piecuch说。 “数学和计算问题是相似的。就像化学家想要了解分子的电子结构一样,核物理学家想要解开原子核的结构。再次,解决多粒子薛定谔方程是关键。“

出版物:J. Emiliano Deustua,Jun Shen和Piotr Piecuch,“通过蒙特卡罗采样和矩扩展收敛高级耦合团簇能量”,Phys。 Rev. Lett。 119,223003,2017; DOI:10.1103 / PhysRevLett.119.223003

来源:密歇根州立大学