强相互作用系统在量子物理和量子化学中发挥着重要作用。蒙特卡罗模拟等随机方法是研究此类系统的行之有效的方法。然而，当发生所谓的符号振荡时，这些方法就达到了极限。

来自德国、土耳其、美国、中国、韩国和法国的国际研究小组现在已经利用波函数匹配的新方法解决了这个问题。例如，使用此方法计算质量数不超过50的所有原子核的质量和半径。研究人员现在在《自然》杂志上报告说，结果与测量结果一致。

地球上的所有物质都由称为原子的微小粒子组成。每个原子都包含更小的粒子：质子、中子和电子。这些粒子中的每一个都遵循量子力学的规则。量子力学构成了量子多体理论的基础，该理论描述了具有许多粒子(例如原子核)的系统。

核物理学家研究原子核所使用的一类方法是从头算法。它通过描述复杂系统的基本组件及其相互作用来描述复杂系统。就核物理而言，基本成分是质子和中子。从头计算可以帮助回答的一些关键问题是原子核的结合能和性质，以及核结构与质子和中子之间潜在相互作用之间的联系。

然而，这些从头计算的方法在对具有复杂相互作用的系统执行可靠计算方面存在困难。其中一种方法是量子蒙特卡罗模拟。这里，数量是使用随机或随机过程计算的。

尽管量子蒙特卡罗模拟非常高效且强大，但它们有一个明显的弱点：符号问题。它出现在具有正权重和负权重的过程中，它们相互抵消。这种取消会导致最终预测不准确。

一种称为波函数匹配的新方法旨在帮助解决从头计算方法的此类计算问题。

Ulf-G教授说：“这个问题可以通过波函数匹配的新方法解决，方法是将复杂的问题映射到一个没有这种符号振荡的简单模型系统，然后处理微扰理论中的差异。”Meißner来自波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究所以及于利希研究中心核物理研究所和高级模拟与分析中心。

“作为一个例子，计算了质量数不超过50的所有原子核的质量和半径，结果与测量结果一致，”梅纳(Meißner)报告说，他也是跨学科研究领域“建模”和“物质”的成员。波恩大学。

“在量子多体理论中，我们经常面临这样的情况：我们可以使用简单的近似相互作用进行计算，但现实的高保真相互作用会导致严重的计算问题，”稀有设施物理学教授DeanLee说道。IstopeBeams和密歇根州立大学物理与天文学系(FRIB)以及理论核科学系主任。

波函数匹配通过去除高保真相互作用的短距离部分并用易于计算的相互作用的短距离部分替换它来解决这个问题。这种转换的完成方式保留了原始现实交互的所有重要属性。

由于新的波函数与易于计算的相互作用的波函数相似，研究人员现在可以使用易于计算的相互作用进行计算，并应用一种标准程序来处理小修正——称为微扰理论。

研究小组将这种新方法应用于轻核、中等质量核、中子物质和核物质的晶格量子蒙特卡罗模拟。使用精确的从头计算，结果与核特性(例如尺寸、结构和结合能)的真实数据非常匹配。曾经由于符号问题而无法进行的计算现在可以通过波函数匹配来执行。

虽然研究团队专注于量子蒙特卡罗模拟，但波函数匹配对于许多不同的从头算方法应该很有用。“这种方法可以用于经典计算和量子计算，例如，可以更好地预测所谓的拓扑材料的特性，这对量子计算很重要，”梅纳说。

第一作者是SerdarElhatisari教授博士，他在Meißner教授的ERCAdvancedGrantEXOTIC项目中担任研究员两年。据迈纳介绍，大部分工作都是在这段时间进行的。于利希研究中心超级计算机的部分计算时间由迈纳领导的IAS-4研究所提供。