就像创造它们的人类一样，计算机发现物理很难，但量子力学更难。但是，由芝加哥大学的三位科学家创造的一项新技术使计算机能够在复杂的电子材料中模拟某些具有挑战性的量子力学效应，而花费的精力要少得多。

通过使这些模拟更加准确和有效，科学家们希望这项技术可以帮助发现新的分子和材料，比如新型的太阳能电池或量子计算机。

“这一进步对于我们进一步理解分子现象具有巨大的潜力，对化学、材料科学和相关领域具有重大意义，”科学家丹尼尔·吉布尼(Daniel Gibney)说，他是芝加哥大学化学博士生，也是该论文的第一作者，该论文于12月14日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

电子和能量

一片树叶或一块太阳能电池板从外面看起来光滑而简单，但缩小到分子水平，你会看到电子和分子之间极其复杂的舞蹈。

为了在可持续发展、制造业、农业和许多其他领域取得新的进展，科学家们对这些化学和分子相互作用的行为进行了建模。这有助于揭示未来设计的新可能性——从隔离二氧化碳的新方法到新型量子比特。

在过去的几十年里，已经取得了许多进展，但有一个领域仍然难以模拟，那就是分子何时开始表现出复杂的量子力学行为，科学家们称之为强相关性。

问题是，一旦电子开始表现出最具量子力学效应——比如“纠缠”——计算立刻就需要更多的计算能力。即使是超级计算机也难以处理其中的含义。

一种常用的计算方法叫做密度泛函理论。化学教授、该研究的资深作者David Mazziotti解释说:“这基本上是预测电子结构最普遍的技术，但它本质上是一种近似，所有电子都被视为一个电子的函数。”

对于许多计算，近似值就可以完成工作。但当电子的行为变得更加相关时，它就开始崩溃了，就像量子力学开始发挥作用时发生的那样。在量子力学中，这些电子可以同时处于多个位置或轨道上。这不仅阻碍了人类的大脑，也阻碍了密度泛函理论。

“这是一个重要的问题，因为我们在21世纪关心的许多问题——比如用于可再生能源和可持续性的新分子和新材料——都要求我们利用材料的量子特性，”Mazziotti说。

Mazziotti、Gibney和第三作者Jan-Niklas Boyn发现，他们可以在密度泛函理论中添加一个通用修正，允许电子同时在多个轨道中纠缠。

“这使得计算中的轨道不仅可以被完全填满或完全空，还可以在两者之间的任何地方，”Mazziotti说。“我们得到了一个单电子图像，它仍然能够捕捉到由相关多体电子效应产生的行为。”

一种“普遍的”适应

科学家们说，作为奖励，这些代码可以添加到现有的算法中，而无需重写代码。吉布尼说:“基本上，只要需要，纠正就会启动，但不会干扰其他代码。”

它也是通用的，因为它可以被添加到模拟多种电子行为的代码中，无论是光伏太阳能电池板、碳封存还是超导材料，甚至是生物学。

例如，Boyn解释说，一个应用可能是理解使用含有金属原子的酶(称为金属酶)所发生的化学反应。

他说:“例如，在你的细胞中有大量的金属酶负责许多化学反应，但众所周知，用目前的模型来描述它们是非常困难的。”“在不久的将来，这个理论可以让我们以一种现在不可能的方式解决这种化学反应。”