从沸腾变成蒸汽的水到融化在玻璃杯里的冰块，我们日常生活中经常会看到被称为“相变”的现象。但是还有另一种更难看到但同样明显的相变：量子相变。

当冷却到接近绝对零度时，某些材料会经历这种量子相变。它们可能会让物理学家惊掉下巴，因为材料可以从磁性转变为非磁性，也可以突然在零能量损失的情况下导电。

即使对于超级计算机来说，这些转变背后的数学也很难处理。但最近芝加哥大学的一项新研究提出了一种处理这些复杂计算的新方法，并最终可能会导致技术突破。这种方法只需将最重要的信息引入方程，并创建一个能模拟系统中所有可能的相变的“映射”。

芝加哥大学化学系和詹姆斯弗兰克研究所的理论化学家、该研究的资深作者David Mazziotti说：“这是一种观察量子相变的潜在强大方法，它可用于传统计算机或量子计算机。”

你熟悉的相变(例如蒸发和冷凝)是由于随着温度的变化而发生的。但是量子相变是由环境中的一些干扰所触发的，例如磁场。这种现象是由于有许多电子在相互作用的结果。这种相互作用属于一个众所周知的复杂子领域，它被称为“强相关”物理学。

一般情况下，为了模拟这些量子相变，科学家必须创建一个模型，且需将每个电子的可能性都结合起来。但是运行这种模拟所需的计算能力那怕是当今最强大的超级计算机也无法满足。

量子计算机被认为比传统计算机更适合这类问题，但即使是这种方法也有其障碍。例如，这些问题会产生大量数据，然后需要将其翻译回“常规”计算机的语言让科学家能够理解。因此，芝加哥大学的研究人员想了解如何在不损失准确性的情况下去简化计算。

他们并没有创建一个模拟来计算给定量子系统中的每个变量，而是找到了一种不同的方法：通过用一组数学方程来代替描述每对电子间可能的相互作用。该方法被称为“二电子降低密度矩阵”。

该研究的第一作者、研究生Sam Warren解释说：“通过测量描述二电子密度降低矩阵的集合，我们最终创建了量子系统能经历所有不同阶段的映射方法。”

这个“映射”本身也提供了一个有用的好处，Warren说：“它可以让你看到可能会错过的相变转换，它创建了一个非常强大的可视化工具，让你可以轻松快速地掌握系统的高级概述。

该研究团队还尝试使用该方法对几种不同类型的相变进行建模，他们发现它与传统的数据密集型方法结果一样准确。

该研究的第二作者、研究生LeeAnn Sager-Smith说：“这种方法为我们提供了理解系统所需的基础物理学，同时能最大限度地减少了计算需求。”

Mazziotti希望该方法不仅对在量子计算机上运行模拟有用，而且能在对加强我们对量子相变的整体理解方面有用。他说：“有些领域由于难以建模而未被充分探索。我希望这种方法可以打开一些新的大门。”（编译:Qtech）