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在费米子量子蒙特卡罗计算中存在无穷大的方差。

Infinite variance in fermion quantum Monte Carlo calculations.

机构信息

Department of Physics, The College of William and Mary, Williamsburg, Virginia 23187, USA.

出版信息

Phys Rev E. 2016 Mar;93(3):033303. doi: 10.1103/PhysRevE.93.033303. Epub 2016 Mar 7.

DOI:10.1103/PhysRevE.93.033303
PMID:27078480
Abstract

For important classes of many-fermion problems, quantum Monte Carlo (QMC) methods allow exact calculations of ground-state and finite-temperature properties without the sign problem. The list spans condensed matter, nuclear physics, and high-energy physics, including the half-filled repulsive Hubbard model, the spin-balanced atomic Fermi gas, and lattice quantum chromodynamics calculations at zero density with Wilson Fermions, and is growing rapidly as a number of problems have been discovered recently to be free of the sign problem. In these situations, QMC calculations are relied on to provide definitive answers. Their results are instrumental to our ability to understand and compute properties in fundamental models important to multiple subareas in quantum physics. It is shown, however, that the most commonly employed algorithms in such situations have an infinite variance problem. A diverging variance causes the estimated Monte Carlo statistical error bar to be incorrect, which can render the results of the calculation unreliable or meaningless. We discuss how to identify the infinite variance problem. An approach is then proposed to solve the problem. The solution does not require major modifications to standard algorithms, adding a "bridge link" to the imaginary-time path integral. The general idea is applicable to a variety of situations where the infinite variance problem may be present. Illustrative results are presented for the ground state of the Hubbard model at half-filling.

摘要

对于许多费米子问题的重要类别,量子蒙特卡罗 (QMC) 方法允许在没有符号问题的情况下精确计算基态和有限温度性质。这个列表涵盖了凝聚态物理、核物理和高能物理,包括半满排斥 Hubbard 模型、自旋平衡原子费米气体以及在零密度下使用 Wilson 费米子的格点量子色动力学计算,并且随着最近发现许多问题没有符号问题,这个列表正在迅速增长。在这些情况下,QMC 计算被依赖以提供明确的答案。它们的结果对于我们理解和计算量子物理中多个子领域重要的基本模型中的性质至关重要。然而,事实证明,在这种情况下最常用的算法存在无限方差问题。方差的发散会导致估计的蒙特卡罗统计误差条不正确,从而使计算结果不可靠或无意义。我们讨论了如何识别无限方差问题。然后提出了一种解决该问题的方法。该解决方案不需要对标准算法进行重大修改,只需在虚时间路径积分中添加“桥接链路”。这个通用的想法适用于可能存在无限方差问题的各种情况。为半满 Hubbard 模型的基态呈现了说明性的结果。

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