在国家自然科学基金项目（批准号：U2330401、12275259）等资助下，中国工程物理研究院研究生院吕炳楠团队在原子核量子蒙特卡洛算法研究中取得进展，相关成果以“无符号问题的原子核量子蒙特卡洛模拟（Sign-problem-free nuclear quantum Monte Carlo simulation）”为题，于2025年11月26日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上，论文链接：https://doi.org/10.1103/pn99-6dxt。
从核子间的基本相互作用出发精确计算原子核的性质是核物理面临的核心挑战之一。传统精确对角化方法受限于指数级增长的计算量，仅能处理最轻的原子核。量子蒙特卡洛（Quantum Monte Carlo，QMC）方法通过随机抽样可将计算复杂度降低至多项式级别。受限于符号问题，QMC方法处理原子核等费米子问题时面临极大制约。尽管无符号问题的QMC算法已被提出，但其适用范围仍局限于简单模型，定量预测能力十分有限。
吕炳楠研究团队通过引入无符号问题的自旋-轨道耦合相互作用，构建了一种对于偶偶核严格满足无符号问题条件的新型核力模型。该模型是首个在多项式时间内严格可解且具备定量预测能力的核结构模型，对76个偶偶核结合能的计算结果与实验值的标准差仅为2.932 MeV，此精度与当前先进的唯象平均场模型相当；对从最轻的4He到中等质量的¹³²Sn等一系列原子核结合能的计算结果，数值精度达到千分之一量级。该模型能定量复现从轻核到中等质量核的实验数据，再现对称核物质的饱和性质，还能揭示轻核中由自旋-轨道耦合相互作用驱动的集团结构现象。
该研究将无符号问题原子核QMC方法转变为一种可扩展且具备定量预测能力的核结构研究工具，为未来进行更重原子核的高精度“从头计算”提供了理论基础。
图 符号问题示意图（左）及偶偶核结合能计算结果与实验比较（右）