布法罗大学的物理学家团队开发出一种便捷方法，能让研究人员在普通笔记本电脑上解决曾被认为需要巨型超级计算机才能处理的复杂量子问题。这项突破性研究拓展了强大的物理捷径，提供的实用模板有望很快成为探索量子动力学的主要工具。
这种被称为截断维格纳近似法（TWA）的计算方法原本就具有较低的计算成本，而新方法进一步拓展了其适用范围，使其能解决更多现实世界中的量子问题。研究通讯作者、布法罗大学文理学院物理系助理教授贾米尔·马里诺博士表示：我们的方法不仅显著降低计算成本，还大幅简化了动力学方程的表述形式。相信在不久的将来，该方法将成为在消费级计算机上研究这类量子动力学的主要工具。
在量子尺度上，微观粒子能同时以超过万亿种构型相互作用，这种模拟通常复杂到必须依赖超级计算机甚至人工智能。虽然物理学界早就从理论上证明某些量子系统存在更简单的解决方案，但将其转化为实用技术始终是长期面临的挑战。
可追溯至1970年代的TWA方法提供了一种半经典的中间路径 —— 在保留足够量子行为确保精度的同时简化数学运算。然而该方法过去仅适用于没有能量得失的理想化孤立量子系统。马里诺博士解释道：许多看似复杂的现象其实并不复杂。物理学家可以将超级计算资源留给需要完整量子方法的系统，其余问题用我们的方法快速解决。
研究团队成功将TWA方法拓展到自然界中更混乱的系统，这类系统中的粒子会受到外力影响并将能量泄漏到周围环境中（即耗散自旋动力学现象）。值得注意的是，团队将原本需要数页篇幅的复杂数学公式转化为直观实用的通用模板。过去研究人员每遇到新量子问题都需从头重新推导复杂方程，而新框架就像换算表一样，让物理学家直接代入问题即可获得可用结果，整个过程通常只需数小时。研究合著者、马里诺实验室博士后研究员奥克萨娜·切尔帕诺娃表示：物理学家基本上一天就能掌握这个方法，大约三天后就能运行本研究涉及的一些最复杂问题。
这项新工具将把宝贵的超级计算资源留给真正巨大的量子挑战。研究人员在新闻稿中总结道：有些系统无法用半经典方法解决 —— 它们不仅具有万亿种可能状态，其状态数量甚至超过宇宙中的原子总数。