В прикладной математике , то числовая проблема знак проблема численно вычислив интеграл от сильно осциллирующей функции большого числа переменных. Численные методы терпят неудачу из-за почти полного исключения положительного и отрицательного вкладов в интеграл. Каждый из них должен быть интегрирован с очень высокой точностью, чтобы их различие было получено с полезной точностью .
Проблема знака - одна из основных нерешенных проблем физики систем многих частиц . Он часто возникает при расчетах свойств квантово-механической системы с большим числом сильно взаимодействующих фермионов или в теориях поля, включающих ненулевую плотность сильно взаимодействующих фермионов.
Обзор
В физике проблема знака обычно (но не исключительно) встречается при расчетах свойств квантово-механической системы с большим числом сильно взаимодействующих фермионов или в теориях поля, включающих ненулевую плотность сильно взаимодействующих фермионов. Поскольку частицы сильно взаимодействуют, теория возмущений неприменима, и каждый вынужден использовать численные методы грубой силы. Поскольку частицы являются фермионами, их волновая функция меняет знак, когда любые два фермиона меняются местами (из-за антисимметрии волновой функции, см. Принцип Паули ). Таким образом, если нет сокращений, возникающих из-за некоторой симметрии системы, квантово-механическая сумма по всем многочастичным состояниям включает интеграл по функции, которая является сильно колеблющейся, поэтому ее трудно вычислить численно, особенно в высокой размерности. Поскольку размерность интеграла определяется числом частиц, проблема знака становится серьезной в термодинамическом пределе . Теоретико-полевое проявление проблемы знака обсуждается ниже.
Проблема знака - одна из основных нерешенных проблем в физике систем многих частиц, препятствующая прогрессу во многих областях:
- Физика конденсированного состояния - препятствует численному решению систем с высокой плотностью сильно коррелированных электронов, таких как модель Хаббарда . [1]
- Ядерная физика - это предотвращает первопринципных расчета свойств ядерной материи и , следовательно , ограничивает наше понимание ядер и нейтронных звезд .
- Квантовая теория поля - препятствует использованию решеточной КХД [2] для предсказания фаз и свойств кварковой материи . [3] (В теории поля на решетке эта проблема также известна как проблема комплексного действия .) [4]
Проблема знака в теории поля
[a] В подходе теории поля к многочастичным системам плотность фермионов контролируется значением химического потенциала фермионов. . Один оценивает функцию распределения суммируя все классические конфигурации поля, взвешенные по где это действие конфигурации. Суммирование по фермионным полям может быть выполнено аналитически, и остается сумма по бозонным полям(который, возможно, был первоначально частью теории или был произведен преобразованием Хаббарда – Стратоновича, чтобы сделать действие фермиона квадратичным)
где представляет собой меру суммы по всем конфигурациям бозонных полей, взвешенных
где теперь действие бозонных полей, и представляет собой матрицу, которая кодирует, как фермионы были связаны с бозонами. Математическое ожидание наблюдаемого поэтому является средним по всем конфигурациям, взвешенным по
Если положительна, то ее можно интерпретировать как вероятностную меру, и можно рассчитать, выполнив суммирование по конфигурациям полей численно, используя стандартные методы, такие как выборка важности Монте-Карло .
Проблема со знаком возникает, когда неположительно. Обычно это происходит в теориях фермионов, когда химический потенциал фермионовотлична от нуля, т.е. когда имеется ненулевая фоновая плотность фермионов. Если нет симметрии частица-античастица, и , а значит, и вес , в общем случае является комплексным числом, поэтому выборку важности Монте-Карло нельзя использовать для оценки интеграла.
Процедура повторного взвешивания
Теорию поля с неположительным весом можно преобразовать в теорию с положительным весом, включив неположительную часть (знак или комплексную фазу) веса в наблюдаемое. Например, можно разложить весовую функцию на ее модуль и фазу,
где реально и положительно, так что
Обратите внимание, что желаемое значение ожидания теперь является соотношением, где числитель и знаменатель являются значениями ожидания, которые оба используют положительную весовую функцию, . Однако фазаявляется сильно колеблющейся функцией в конфигурационном пространстве, поэтому, если использовать методы Монте-Карло для вычисления числителя и знаменателя, каждый из них будет оценивать очень маленькое число, точное значение которого заглушается шумом, присущим процессу выборки Монте-Карло. . "Плохость" проблемы со знаком измеряется малостью знаменателя.: если оно намного меньше 1, проблема со знаком серьезная. Можно показать (например, [5] ), что
где объем системы, это температура, а это плотность энергии. Поэтому количество точек отбора проб методом Монте-Карло, необходимых для получения точного результата, экспоненциально возрастает по мере увеличения объема системы и по мере того, как температура приближается к нулю.
Разложение весовой функции на модуль и фазу - лишь один из примеров (хотя он был рекомендован как оптимальный выбор, поскольку он минимизирует дисперсию знаменателя [6] ). В общем можно было написать
где может быть любой положительной весовой функцией (например, весовой функцией теории.) [7] Плохость проблемы знака затем измеряется
который снова экспоненциально стремится к нулю в пределе большого объема.
Способы уменьшения знаковой проблемы
Проблема знака является NP-сложной , подразумевая, что полное и общее решение проблемы знака также решило бы все проблемы в классе сложности NP за полиномиальное время. [8] Если (как обычно подозревают) не существует решений NP проблем с полиномиальным временем (см. P в сравнении с проблемой NP ), то не существует общего решения проблемы знаков. Это оставляет открытой возможность того, что могут быть решения, которые работают в конкретных случаях, когда колебания подынтегральной функции имеют структуру, которую можно использовать для уменьшения численных ошибок.
В системах с умеренной проблемой знака, такой как теории поля при достаточно высокой температуре или в достаточно малом объеме, проблема знака не слишком серьезна, и полезные результаты могут быть получены различными методами, такими как более тщательно настроенное переназначение, аналитическое продолжение. из воображаемого к настоящему , или разложение Тейлора по степеням . [3] [9]
Существуют различные предложения по решению систем с серьезной проблемой знаков:
- Кластерные алгоритмы Мерона . Они достигают экспоненциального ускорения за счет разложения мировых линий фермионов на кластеры, которые вносят вклад независимо друг от друга. Кластерные алгоритмы были разработаны для некоторых теорий [5], но не для модели электронов Хаббарда, или для КХД , теории кварков.
- Стохастическое квантование . Сумма по конфигурациям получается как равновесное распределение состояний, исследуемое комплексным уравнением Ланжевена . До сих пор было обнаружено, что алгоритм избегает проблемы знака в тестовых моделях, которые имеют проблему знака, но не включают фермионы. [10]
- Метод фиксированного узла. Один фиксирует расположение узлов (нулей) многочастичной волновой функции и использует методы Монте-Карло для получения оценки энергии основного состояния с учетом этого ограничения. [11]
- Алгоритмы Майорана. Использование фермионного представления Майорана для выполнения преобразований Хаббарда-Стратоновича может помочь решить проблему знака фермионов для класса фермионных многочастичных моделей. [12] [13]
- Диаграммный Монте-Карло - основан на стохастической и стратегической выборке диаграмм Фейнмана [14]
Смотрите также
- Метод стационарной фазы
- Колебательный интеграл
Сноски
- ^ Источники для этого раздела включают Chandrasekharan & Wiese (1999) [5] и Kieu & Griffin (1994), [6] в дополнение к цитированным.
Рекомендации
- ^ Loh, EY; Gubernatis, JE; Скалеттар, РТ; Белый, SR; Скалапино, диджей; Сахар, Р.Л. (1990). «Знаковая проблема в численном моделировании многоэлектронных систем». Physical Review B . 41 (13): 9301–9307. Bibcode : 1990PhRvB..41.9301L . DOI : 10.1103 / PhysRevB.41.9301 . PMID 9993272 .
- ^ де Форкранд, Филипп (2010). «Моделирование КХД при конечной плотности». Pos Lat . 010 : 010. arXiv : 1005.0539 . Bibcode : 2010arXiv1005.0539D .
- ^ а б Филипсен, О. (2008). «Расчеты на решетке при ненулевом химическом потенциале: фазовая диаграмма КХД» . Известия науки . 77 : 011. DOI : 10,22323 / 1.077.0011 .
- ^ Анагностопулос, кн; Нисимура, Дж. (2002). «Новый подход к проблеме комплексного действия и его приложение к непертурбативному исследованию теории суперструн». Physical Review D . 66 (10): 106008. arXiv : hep-th / 0108041 . Bibcode : 2002PhRvD..66j6008A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.66.106008 . S2CID 119384615 .
- ^ а б в Чандрасекхаран, Шайлеш; Визе, Уве-Йенс (1999). "Мерон-кластерное решение проблем фермионных знаков". Письма с физическим обзором . 83 (16): 3116–3119. arXiv : cond-mat / 9902128 . Bibcode : 1999PhRvL..83.3116C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.3116 . S2CID 119061060 .
- ^ а б Kieu, TD; Гриффин, CJ (1994). «Моделирование методом Монте-Карло с неопределенными и комплексными мерами». Physical Review E . 49 (5): 3855–3859. arXiv : hep-lat / 9311072 . Bibcode : 1994PhRvE..49.3855K . DOI : 10.1103 / PhysRevE.49.3855 . PMID 9961673 . S2CID 46652412 .
- ^ Barbour, IM; Моррисон, ЮВ; Klepfish, EG; Когут, JB; Ломбардо, М.-П. (1998). «Результаты по КХД конечной плотности». Nuclear Physics B - Proceedings Supplements . 60 (1998): 220–233. arXiv : hep-lat / 9705042 . Bibcode : 1998NuPhS..60..220B . DOI : 10.1016 / S0920-5632 (97) 00484-2 . S2CID 16172956 .
- ^ Тройер, Матиас; Визе, Уве-Йенс (2005). "Вычислительная сложность и фундаментальные ограничения фермионного квантового моделирования методом Монте-Карло". Письма с физическим обзором . 94 (17): 170201. arXiv : cond-mat / 0408370 . Bibcode : 2005PhRvL..94q0201T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.170201 . PMID 15904269 . S2CID 11394699 .
- ^ Шмидт, Кристиан (2006). «Решеточная КХД при конечной плотности». Pos Lat . 021 : 21.1. arXiv : hep-lat / 0610116 . Bibcode : 2006slft.confE..21S .
- ^ Аартс, Герт (2009). «Может ли стохастическое квантование избежать проблемы знака? Релятивистский бозе-газ при конечном химическом потенциале». Письма с физическим обзором . 102 (13): 131601. arXiv : 0810.2089 . Bibcode : 2009PhRvL.102m1601A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.131601 . PMID 19392346 . S2CID 12719451 .
- ^ Ван Беммель, HJM; Тен Хааф, DFB; Van Saarloos, W .; Ван Левен, JMJ ; Ан, Г. (1994). «Квантовый метод Монте-Карло с фиксированными узлами для решеточных фермионов» (PDF) . Письма с физическим обзором . 72 (15): 2442–2445. Bibcode : 1994PhRvL..72.2442V . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.72.2442 . hdl : 1887/5478 . PMID 10055881 .
- ^ Ли, Цзы-Сян; Цзян И-Фань; Яо, Хун (2015). "Решение проблемы знака фермиона в квантовом моделировании Монте-Карло представлением Майорана". Physical Review B . 91 (24): 241117. arXiv : 1408.2269 . Bibcode : 2015PhRvB..91x1117L . DOI : 10.1103 / PhysRevB.91.241117 . S2CID 86865851 .
- ^ Ли, Цзы-Сян; Цзян И-Фань; Яо, Хун (2016). "Симметрии Майораны-обращения времени: фундаментальный принцип беззнакового квантового моделирования методом Монте-Карло". Письма с физическим обзором . 117 (26): 267002. arXiv : 1601.05780 . Bibcode : 2016PhRvL.117z7002L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.267002 . PMID 28059531 . S2CID 24661656 .
- ^ Хаук, Крис Ван; Козик, Евгений; Прокофьев, Николай В .; Свистунов, Борис Владимирович (01.01.2010). «Диаграмма Монте-Карло» (PDF) . Физические процедуры . 6 : 95–105. DOI : 10.1016 / j.phpro.2010.09.034 . hdl : 1854 / LU-3234513 . ISSN 1875-3892 .