量子多體理論研究獲進展

為解決量子多體計算中處理復雜相互作用的困難，國際原子核格點有效場論合作組提出一套全新的理論方法，并使用該方法進行了核物理的第一性原理（ab initio）計算。由于此方法的創新性、廣泛的應用以及對核理論方法的推動，相關成果5月15日發表于《自然》雜志。

記者獲悉，華南師范大學量子物質研究院特聘副研究員馬遠卓為國際原子核格點有效場論合作組主要成員之一。馬遠卓依托南方核科學計算中心的優質計算資源，開發出大規模高性能GPU格點計算程序，為此項工作的理論計算提供了強有力支撐。

從強相關費米體系到量子化學，從原子和分子系統到核物理，第一性原理（ab initio）計算在深入理解量子多體系統的許多子領域中起著至關重要的作用。由于真實量子系統相互作用的復雜性，高精度的第一性原理計算往往充滿挑戰。在這項工作中，研究者提出一套解決該問題的全新方案，波函數匹配（wave function matching）方法。

波函數匹配方法的核心是構建一組粒子間相互作用的幺正變換。這樣的幺正變換能夠在r<R區間，將原初的、使用高精度哈密頓量H的兩粒子波函數與使用“容易求解”哈密頓量H^S的兩粒子波函數相匹配。通過這樣的幺正變換，能夠得到高精度的、與H^S相近的全新哈密頓量H'。對多體系統，使用H^S計算將非常容易，而較小H'-H^S的貢獻可以通過多體微擾論來考慮。此方法的一個直接應用是解決量子蒙特卡洛方法中“符號震蕩”的困難。

在這項工作中，研究者將波函數匹配方法應用于格點量子蒙特卡洛計算中，采用高精度的手征核力，對輕質量原子核、中等質量原子核、中子物質與核物質的相關性質進行了第一性原理計算，計算結果與實驗數據吻合良好。這些結果不僅為核力的研究提供了新的見解，更能幫助解決原子核第一性原理計算中，長久以來的，對原子核能量、電荷半徑和核物質性質高精度計算這一挑戰。

據了解，論文通訊作者為密西根州立大學教授Dean Lee，其合作者來自于美國密歇根州立大學，德國波恩大學，華南師范大學，于利希研究中心，中國工程物理研究院研究生院、中山大學等。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07422-z