近日，中科大等离子体物理与聚变工程系提出了可用于精确模拟等离子体碰撞现象的弱收敛算法。该方法基于随机微分方程理论与统计学，巧妙地实现了在弱收敛意义上对碰撞过程的精确模拟，其计算效率比具有同样精度的传统强收敛算法可提升20倍以上，做到了真正的“以弱胜强”。该工作推动了等离子体碰撞类过程的模拟研究，也为发展高效的第一性原理模拟提供了新思路。相关研究成果于近期发表在计算物理领域著名期刊《计算机物理通讯》（Computer Physics Communications）上。文章第一作者为武文韬博士，通讯作者为刘健副教授，该研究受到了国家科技部磁约束聚变能发展研究专项和国家自然科学基金的支持。
碰撞效应普遍存在于各种等离子体系统当中，等离子体中散射、热化、电离、辐射与聚变反应等现象都与碰撞密切相关，而带电粒子的长程相互作用使得等离子体碰撞算符非常复杂且难以处理。利用模特卡洛方法模拟碰撞类过程面临着精度与计算效率的双重挑战。
传统蒙特卡洛算法通过保证每个采样点的精确计算来确保模拟精度（即强收敛条件），这需要对采样点运动的确定项和随机项均保证高精度计算，完成整个碰撞过程模拟需要消耗大量计算资源。弱收敛算法并不要求单个采样点运动轨迹的“正确”与准确，由于真实物理量仅依赖于采样点的统计分布，只要采样点的统计分布具有足够高的精度就能够达到要求，这为保持模拟精度的同时提升效率带来了新的思路和广阔空间。
研究中通过反向逃逸电子的案例对新的弱收敛算法进行了展示。在将随机微分方程中的维纳过程替换为简单的三点概率分布后，新的二阶弱收敛算法仍可以精确模拟反向逃逸过程和逃逸概率分布，同时模拟效率提升了20多倍。弱收敛算法为理解第一性原理模拟提供了新的视角，为提升等离子体物理大规模数值模拟的效率提供了新方案。
原文标题：
Weakly convergent stochastic simulation of electron collisions in plasmas
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cpc.2023.108758
等离子体物理与聚变工程系简介：
等离子体物理与聚变工程系（校内编号52系）成立于2020年，是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位，其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业，招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。