Kuantum kimyasının temel sorularından biri, büyük moleküllerin ya da katı maddelerin elektronik yapısını doğru biçimde hesaplayabilmektir. Bu hesaplamalar, malzemelerin iletkenlik, manyetizma ve kimyasal reaktivite gibi özelliklerini anlamak için kritik öneme sahiptir. Ancak sistemdeki elektron sayısı arttıkça hesaplama maliyeti katlanarak büyür; bu yüzden büyük sistemler genellikle süperbilgisayar kaynaklarına ihtiyaç duyar.
Yeni bir çalışmada araştırmacılar, Hartree-Fock (HF) yöntemini yoğunluk matrisi renormalizasyon grubu (DMRG) çerçevesinde yeniden formüle etti. DMRG, özellikle tek boyutlu kuantum sistemlerinde durumları verimli biçimde sıkıştırmak için kullanılan güçlü bir hesaplama tekniğidir. Araştırmacılar, bu iki yaklaşımı birleştirerek sistemi tanımlayan doluluk matrisi ve uzun menzilli etkileşimleri ayrı ayrı sıkıştırdı; böylece her tarama adımı küçük ve yerel bir Fock problemine indirgenebildi.
Yöntemin etkinliğini test etmek için düzgün aralıklı hidrojen zincirlerinden oluşan antiferromanyetik bir model kullanıldı. Bu model, hem 1/r biçimindeki Coulomb etkileşimini barındırması hem de analitik olarak iyi anlaşılmış olması nedeniyle ideal bir kıyaslama zemini sunuyor.
Sonuçlar dikkat çekici: 1,8 milyon uzaysal temel fonksiyonuna yayılan 100.000 elektronluk bir sistem, yalnızca 64 GB bellekli bir Mac mini'de yaklaşık 2 saatte hesaplandı ve sistemin belleğinin üçte birinden azı kullanıldı. Hesaplama yükünün zincir uzunuğuyla neredeyse doğrusal ölçeklenmesi ve gereken tarama sayısının büyük sistem boyutlarında çok az değişmesi, yöntemin gerçek anlamda ölçeklenebilir olduğunu gösteriyor.
Bu gelişme, büyük ölçekli elektronik yapı hesaplamalarını süperbilgisayar altyapısına gerek kalmadan yapılabilir hale getirebilir. Malzeme tasarımı, polimer kimyası ve biyomoleküler modelleme gibi alanlarda uzun zincir yapılarının incelenmesinde önemli bir araç olarak öne çıkması bekleniyor. Uzun vadede, pahalı hesaplama kaynaklarına erişimi olmayan araştırma grupları için de kapılar aralanmış olabilir.