Uusi kirja kvantti-ilmiöiden mallintamisesta on matka kvanttimaailmaan
Tuore ”A Practical Course on Quantum Monte Carlo” -kirja on suunnattu edistyneille kvanttimekaniikan asiantuntijoille, joita kiinnostaa numeerinen ongelmanratkaisu. Kirja käsittelee kvantti-Monte Carlo -menetelmää, jonka avulla voidaan laskea hyvin tarkasti kvanttimekaanisten systeemien ominaisuuksia tietokoneella käyttäen hyväksi satunnaislukuja. Menetelmää hyödynnetään mm. atomien, molekyylien ja fluidien ominaisuuksien määrittämisessä.
- Menetelmä soveltuu kaikkeen, mitä voidaan kuvata Schrödingerin yhtälöllä. Käytännön rajana on vain laskentakapasiteetti ja aika. Haasteitakin on, erityisesti äärellisen lämpötilan monen fermionin systeemien laskeminen on tehotonta. Kvantti-Monte Carlolla on laskettu mm. elektronirakennelaskuja, 2D-rajapintoja, kiinteän aineen tilanyhtälöitä, jäätä, ultrakylmiä atomikaasuja, Hubbardin mallia, kvanttipisteitä ja matalan lämpötilan kvantti-ilmiöitä, selventää yliopistotutkija Vesa Apaja Jyväskylän yliopistolta.
Kirja on kokonaisuutena hyvin monialainen ja käytännöllinen. Siihen on koottu esimerkkejä vety- ja heliumatomista aina monen elektronin atomeihin ja kvanttinesteisiin. Lisäksi kirja sisältää kaikille avoimia esimerkkiohjelmia.
- Kirjan esimerkkiohjelmat on kirjoitettu Pythonilla ja Julialla, ja ne ovat vapaasti saatavilla ja hyödynnettävissä Githubista, kertoo Apaja.
Kvantti-ilmiöiden mallintaminen numeriikan keinoin kiehtoo tutkijaa
Kirjan on kirjoittanut Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen yliopistotutkija Vesa Apaja, joka kiinnostui Monte Carlo -menetelmästä opiskeluaikana 1980-luvulla. Kvantti-Monte Carlo -menetelmässä Apajaa kiehtoo eniten mahdollisuus kokeilla eri lähestymistapoja. Lisäksi aiheen opettaminen ja yritys selittää kvanttimekaanisia ilmiöitä numeriikan kautta on erityisen antoisaa.
- Monen epäonnisen sattuman vuoksi en päässyt kirjoittamaan aiheesta väitöskirjaa, mutta idea ei jättänyt minua rauhaan. Kirjoitin ensimmäisen rinnakkaislaskentaa käyttävän kvantti-Monte Carlo –ohjelmani 90-luvun puolivälissä, muistelee Apaja.
Apaja on useiden vuosien ajan luennoinut kvantti-Monte Carlo -menetelmiä Jyväskylän yliopistossa. Nyt hänelle tarjottiin tilaisuus koota ne kirjaksi.
- Lopulta kirjaan päätyi paljon enemmän materiaalia kuin mitä tavanomaiseen kurssiin mahtuu, ja koodiakin kertyi tuhansia rivejä, naurahtaa Apaja.
Kirja "A Practical Course on Quantum Monte Carlo" löytyy osoitteesta https://iopscience.iop.org/book/mono/978-0-7503-6310-5
