为什么难以数值求解多电子瞬态薛定谔方程

计算科学 pde 量子力学
2021-12-15 05:04:35

似乎人们通常使用单有源电子(SAE)近似来处理多电子系统,将问题转化为单电子问题。例如,在数值求解氦原子与激光场相互作用的问题时,人们通常将电子-电子效应近似地包含在赝势中,从本质上解决单电子问题。那么为什么连时间相关的多电子薛定谔方程都难以数值求解呢?它比经典的 n 体问题困难得多吗?我已经看到有很多巨大的经典体问题在天文学中以数值方式解决,甚至是实时的,例如这里实时模拟两个星系的碰撞,涉及 280000 个粒子相互作用。n

1个回答

是的,这样做要困难得多。为了N身体问题,你需要计算的只是轨迹xi(t),i=1N这只是N单个变量的函数。

另一方面,即使对于单个电子,薛定谔方程的解也是一个函数Ψ(x,y,z,t),即四个变量的函数。对于两个电子,您正在寻找一个函数Ψ(x1,y1,z1,x2,y2,z3,t)将波函数描述为两个电子的位置加上时间的函数。那是七个变量。

现在,如果你还记得如何求解常微分方程,例如牛顿方程N身体问题,那么你需要将每个方程从时间向前推进tt+Δt并在那里计算解决方案。所以,如果你划分你的时间间隔[0,T]进入M长度间隔Δt=T/M那么每个时间步的努力将是N2M使用交互的简单实现N身体(你可以使用方法来实现N(logN)M努力,但这不是重点)。

另一方面,要找到 7 个变量的函数,假设您将时间间隔细分为M子区间如上,但您也对 6 个空间坐标执行相同操作。那么一共有M7要考虑的网格点。一般来说,对于一个N身体量子系统,你有M3N+1.

现在很容易验证即使对于相当小的数字N,M, 努力M3N+1远大于N2M,这就解释了为什么多体量子计算的成本比N身体经典力学。