Расчет, который настолько сложен, что для его выполнения на мощном настольном компьютере требуется 20 лет, теперь можно выполнить за один час на обычном ноутбуке. Физик Андреас Экстрём из Технического университета Чалмерса вместе с международными коллегами-исследователями разработал новый метод невероятно быстрого вычисления свойств атомных ядер.
Новый подход основан на концепции, называемой эмуляцией, где приблизительный расчет заменяет полный и более сложный расчет. Хотя исследователи сокращают путь, решение оказывается почти таким же. Он напоминает алгоритмы машинного обучения, но в конечном итоге исследователи разработали совершенно новый метод. Это открывает еще больше возможностей для фундаментальных исследований в таких областях, как ядерная физика.
«Теперь, когда мы можем имитировать атомные ядра, используя этот метод, у нас есть совершенно новый инструмент для построения и анализа теоретических описаний сил между протонами и нейтронами внутри атомного ядра», - говорит руководитель исследований, Андреас Экстрём, доцент кафедры физики в Техническом университете Чалмерса.
Основа для понимания нашего существования
Тема может показаться нишевой, но на самом деле она имеет фундаментальное значение для понимания нашего существования, а также стабильности и происхождения видимой материи. Большая часть атомной массы находится в центре атома, в плотной области, называемой атомным ядром. Составляющие ядра частицы, протоны и нейтроны, удерживаются вместе чем-то, что называется - сильное ядерное взаимодействие. Хотя эта сила так важна для нашего существования, никто точно не знает, как она работает. Чтобы расширить наши знания и раскрыть фундаментальные свойства видимой материи, исследователи должны иметь возможность моделировать свойства атомных ядер с большой точностью.
Фундаментальные исследования, над которыми работают Андреас Экстрём и его коллеги, проливают новый свет на самые разные темы, от нейтронных звезд и их свойств до самой сокровенной внутренней структуры и распада ядер. Фундаментальные исследования в области ядерной физики также вносят важный вклад в астрофизику, атомную физику и физику элементарных частиц.
График энергии и радиуса изотопа кислорода 16-O для 100 000 различных параметризаций сильного ядерного взаимодействия. Используя новый метод, результаты были получены в течение нескольких минут на стандартном ноутбуке. Пунктирными линиями показаны значения экспериментальных данных. Фото: Andreas Ekström and Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology
Открывая двери для совершенно новых возможностей
«Я невероятно рад, что могу производить вычисления с такой точностью и эффективностью. По сравнению с нашими предыдущими методами кажется, что теперь мы выполняем вычисления с молниеносной скоростью. В нашей текущей работе мы надеемся еще больше улучшить метод эмуляции, и выполнять расширенный статистический анализ наших квантово-механических моделей. С помощью этого метода эмуляции, похоже, мы можем достичь результатов, которые ранее считались невозможными. Это, безусловно, открывает двери для совершенно новых возможностей», - говорит Андреас Экстрём.
Подробнее о математическом кратчайшем пути
Новый метод эмуляции основан на так называемом подпространстве собственных векторов (eigenvector continuation, EVC). Он позволяет имитировать многие квантово-механические свойства атомных ядер с невероятной скоростью и точностью. Вместо того, чтобы напрямую решать трудоемкую и сложную задачу многих тел снова и снова, исследователи создали математический кратчайший путь, используя преобразование в специальное подпространство. Это позволяет использовать несколько точных решений для более быстрого получения приближенных решений.
Если эмулятор работает хорошо, он генерирует решения, которые почти точно - примерно на 99 процентов - аналогичны решениям исходной проблемы. Это во многом те же принципы, которые используются в машинном обучении, но это не нейронная сеть или гауссовский процесс - в основе этого лежит совершенно новый метод. Метод EVC для эмуляции не ограничивается атомными ядрами, и в настоящее время исследователи изучают различные типы приложений.
Исследование было опубликовано в журнале Physics Letters B и также ранее было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Источник: Phys.org
