Para peneliti telah mengembangkan metode baru yang disebut pencocokan fungsi gelombang untuk mengatasi masalah tanda dalam simulasi Monte Carlo, masalah umum dalam fisika banyak benda kuantum. Dengan menyederhanakan model interaksi dan menggunakan teori perturbasi untuk koreksinya, metode ini terbukti efektif dalam menghitung sifat nuklir seperti massa dan radius secara akurat. Ini menjanjikan aplikasi yang lebih luas dalam komputasi kuantum dan bidang lainnya. Kredit: Prof. Serdar Elhatisari
Pencocokan fungsi gelombang untuk memecahkan masalah banyak benda kuantum.
Sistem yang berinteraksi kuat sangat penting dalam bidang fisika kuantum dan kimia kuantum. Simulasi Monte Carlo, salah satu jenis metode stokastik, banyak digunakan untuk mempelajari sistem ini. Namun, mereka menghadapi tantangan ketika menghadapi osilasi tanda. Sebuah tim peneliti internasional dari Jerman, Turki, Amerika Serikat, Tiongkok, Korea Selatan, dan Perancis telah mengatasi masalah ini dengan mengembangkan teknik baru yang disebut pencocokan fungsi gelombang.
Sebagai contoh, massa dan jari-jari semua inti atom hingga nomor massa 50 dihitung menggunakan metode ini. Hasilnya sesuai dengan pengukuran, para peneliti kini melaporkannya di jurnal Alam.
Semua materi di Bumi terdiri dari partikel-partikel kecil yang dikenal sebagai atom. Setiap atom mengandung partikel yang lebih kecil: proton, neutron, dan elektron. Masing-masing partikel mengikuti aturan mekanika kuantum. Mekanika kuantum menjadi dasar teori banyak benda kuantum, yang menjelaskan sistem dengan banyak partikel, seperti inti atom.
Salah satu metode yang digunakan oleh fisikawan nuklir untuk mempelajari inti atom adalah pendekatan ab initio. Ini menggambarkan sistem yang kompleks dengan memulai dari deskripsi komponen dasar dan interaksinya. Dalam fisika nuklir, komponen dasarnya adalah proton dan neutron. Beberapa pertanyaan kunci yang dapat dijawab dengan perhitungan ab initio adalah energi ikat dan sifat inti atom serta hubungan antara struktur inti dan interaksi mendasar antara proton dan neutron.
Tantangan dan Solusi dalam Simulasi Kuantum
Namun, metode ab initio ini memiliki kesulitan dalam melakukan penghitungan yang andal untuk sistem dengan interaksi yang kompleks. Salah satu metode tersebut adalah simulasi kuantum Monte Carlo. Di sini, kuantitas dihitung menggunakan proses acak atau stokastik. Meskipun simulasi kuantum Monte Carlo efisien dan kuat, simulasi ini memiliki kelemahan yang signifikan: masalah tanda. Itu muncul dalam proses dengan bobot positif dan negatif, yang saling meniadakan. Pembatalan ini menyebabkan prediksi akhir tidak akurat.
Pendekatan baru, yang dikenal sebagai pencocokan fungsi gelombang, dimaksudkan untuk membantu memecahkan masalah perhitungan metode ab initio. “Masalah ini diselesaikan dengan metode baru pencocokan fungsi gelombang dengan memetakan masalah rumit dalam pendekatan pertama ke sistem model sederhana yang tidak memiliki osilasi tanda dan kemudian menangani perbedaannya dalam teori perturbasi,” kata Prof. Ulf-G. Meißner dari Institut Radiasi dan Fisika Nuklir Helmholtz di Universitas Bonn dan dari Institut Fisika Nuklir dan Pusat Simulasi dan Analisis Tingkat Lanjut di Forschungszentrum Jülich. “Sebagai contoh, massa dan jari-jari semua inti hingga nomor massa 50 dihitung – dan hasilnya sesuai dengan pengukurannya,” lapor Meißner, yang juga anggota “Pemodelan” dan “Materi” Area Penelitian Transdisipliner di Universitas Bonn.
“Dalam teori banyak benda kuantum, kita sering dihadapkan pada situasi di mana kita dapat melakukan penghitungan menggunakan interaksi perkiraan sederhana, namun interaksi realistik dengan ketelitian tinggi menyebabkan masalah komputasi yang parah,” kata Dean Lee, Profesor Fisika dari Facility for Rare Istope Beams dan Departemen Fisika dan Astronomi (FRIB) di Michigan State University dan kepala Departemen Ilmu Nuklir Teoritis.
Penerapan Praktis dan Prospek Masa Depan
Pencocokan fungsi gelombang memecahkan masalah ini dengan menghilangkan bagian jarak pendek dari interaksi dengan ketelitian tinggi dan menggantinya dengan bagian jarak pendek dari interaksi yang mudah dihitung. Transformasi ini dilakukan dengan cara yang mempertahankan semua sifat penting dari interaksi realistis asli. Karena fungsi gelombang baru mirip dengan interaksi yang mudah dihitung, para peneliti kini dapat melakukan perhitungan dengan interaksi yang mudah dihitung dan menerapkan prosedur standar untuk menangani koreksi kecil – yang disebut teori perturbasi.
Tim peneliti menerapkan metode baru ini untuk membuat kisi simulasi kuantum Monte Carlo untuk inti ringan, inti bermassa menengah, materi neutron, dan materi nuklir. Dengan menggunakan perhitungan ab initio yang tepat, hasilnya sangat cocok dengan data dunia nyata mengenai sifat-sifat nuklir seperti ukuran, struktur, dan energi pengikat. Perhitungan yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan karena masalah tanda kini dapat dilakukan dengan pencocokan fungsi gelombang.
Meskipun tim peneliti berfokus secara eksklusif pada simulasi kuantum Monte Carlo, pencocokan fungsi gelombang seharusnya berguna untuk banyak pendekatan ab initio yang berbeda. “Metode ini dapat digunakan baik dalam komputasi klasik maupun komputasi klasik komputasi kuantummisalnya, untuk memprediksi dengan lebih baik sifat-sifat bahan topologi, yang penting untuk komputasi kuantum,” kata Meißner.
Referensi: “Pencocokan fungsi gelombang untuk memecahkan masalah banyak benda kuantum” oleh Serdar Elhatisari, Lukas Bovermann, Yuan-Zhuo Ma, Evgeny Epelbaum, Dillon Frame, Fabian Hildenbrand, Myungkuk Kim, Youngman Kim, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Dean Lee , Ning Li, Bing-Nan Lu, Wolf-G. Meißner, Gautam Rupak, Shihang Shen, Young-Ho Song dan Gianluca Stellin, 15 Mei 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07422-z
Penulis pertama adalah Prof. Dr. Serdar Elhatisari, yang bekerja selama dua tahun sebagai Fellow di ERC Advanced Grant EXOTIC Prof. Meißner. Menurut Meißner, sebagian besar pekerjaan dilakukan pada masa ini. Sebagian dari waktu komputasi pada superkomputer di Forschungszentrum Jülich disediakan oleh institut IAS-4, yang dipimpin oleh Meißner.
Penulis pertama, Prof. Serdar Elhatisari, berasal dari Universitas Bonn dan Universitas Sains dan Teknologi Islam Gaziantep (Turki). Kontribusi signifikan juga diberikan di Michigan State University. Peserta lainnya antara lain Ruhr University Bochum, South China Normal University (China), Institute for Basic Science di Daejeon (Korea Selatan), Sun Yat-Sen University di Guangzhou (China), Graduate School of China Academy of Engineering Physics di Beijing ( Cina), Universitas Negeri Mississippi (AS) dan Université Paris-Saclay (Prancis). Penelitian ini didanai oleh Departemen Energi AS, Yayasan Sains Nasional AS, Yayasan Penelitian Jerman, Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok, Inisiatif Beasiswa Internasional Presiden Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Yayasan Volkswagen, Dewan Riset Eropa, dan Dewan Riset Eropa. Dewan Riset Ilmiah dan Teknologi Turki, Dana Akademik Keamanan Nasional, Proyek Sains Isotop Langka dari Institut Sains Dasar, Yayasan Riset Nasional Korea, Institut Sains Dasar dan Espace de Structure et de react Nucleaires Theorique.
