الفيزياء الأساسية
كواركات ونوى وبلازما ومادة كمية: أصغر المنظومات المحاكاة، ومن أغلاها حوسبةً.
أساس التسلسل الهرمي. تنطلق هذه المحاكيات من النظرية الأساسية، أي النموذج القياسي والميكانيكا الكمية، وتحسب نتائجها. وهي الأقرب إلى توليد الظواهر الفيزيائية من المبادئ الأولى. كما تفسر لماذا تستهلك أدق قيعان المادة في ساحة التجربة هذا القدر من الحوسبة.
كروموديناميكا الكم الشبكية
كواركات وغلوونات على شبكة رباعية الأبعاد من نقاط الزمكان، تُستخدم لحساب كتل البروتونات والنيوترونات وسائر الهدرونات وخصائصها من القوة الشديدة وحدها.
السؤال الذي تجيب عنه: ما كتلة البروتون، انطلاقاً من النظرية وحدها؟
يُغفل: تباعد الشبكة وحجم الصندوق حلول وسط. تُستقرأ النتائج نحو المتصل والحجم اللانهائي، لكنها لا تبلغهما أبداً.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي مخصَّصات حاسوب فائق وطني، أسابيع من جزء كبير منه.منذ: 1979 دراسة مونت كارلو لكروتس لنظرية مقياس SU(2) الشبكية الصرفة، دون كواركات؛ ودخلت الكواركات لاحقًا المصدرفي شجرة المحاكيات: مونت كارلو على الشبكة لحقول المعايرة
توليد أحداث المصادم
كل تصادم بروتون-بروتون في مسرّع، من التشتت الصلب عبر وابل البارتونات إلى رذاذ الهدرونات الواصل إلى الكاشف.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف ستبدو البيانات لو كان جسيم جديد مقترح حقيقياً؟
يُغفل: يقرّب التداخل الكمومي بين كل العمليات المساهمة بإبقاء المهيمنة منها فقط، مع ضبط المعاملات لتطابق البيانات السابقة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود للحوسبة الشبكية، يعالج مليارات الاصطدامات المُحاكاة.منذ: 1982 مولّدات أحداث محوسبة مبكرة لوابل البارتونات لفيزياء المصادمات.
استجابة الكاشف
كل جسيم يغادر تصادمًا، يُنقَل عبر طبقات السيليكون والمسعّر والمغناطيس، مودِعًا طاقته أثناء مروره.
السؤال الذي تجيب عنه: أي إشارات حقيقية سيفوّتها الكاشف، وأي إشارات سيزيّفها؟
يُغفل: يفترض أن هندسة الكاشف ومعايرته تطابقان التصميم تمامًا، بينما تُضعفهما الكابلات المتقادمة وتلف الإشعاع تدريجيًا.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي أو للحوسبة الشبكية، ملايين ساعات المعالج في السنة.منذ: 1974 أول برنامج عام لنقل الجسيمات في سيرن لتصميم الكواشف.
الوابل الجوي للأشعة الكونية
جسيم واحد شديد الطاقة من الفضاء يصطدم بالغلاف الجوي العلوي ويتساقط شلّالًا إلى مليارات الجسيمات الثانوية في طريقه إلى الأسفل.
السؤال الذي تجيب عنه: أي نوع من الجسيمات، ومن أي بعد، صنع النمط الذي رصدته كواشفنا الأرضية؟
يُغفل: يعتمد على نماذج تصادم مستقرأة إلى ما يتجاوز بكثير أي طاقة اختبرها مسرّع.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي عنقود صغير أو محطة عمل قوية، ساعات لكل مجموعة وابل.منذ: 1961 نماذج مونت كارلو مبكرة لوابل جسيمات الأشعة الكونية.
ديناميكا حزم المسرّعات
حزم من جسيمات مشحونة تدور عبر مغانط ملايين اللفات، تدفعها المجالات وتدفع بعضها بعضًا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يبقى الشعاع مركَّزًا بإحكام، أم يتباعد تدريجيًا ويضرب الجدران؟
يُغفل: يفترض أن المغانط مبنية وفق المواصفات، بينما في الواقع فيها أخطاء تصنيع صغيرة تؤثر على مدى ملايين الدورات.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية أو عنقود صغير، دقائق لكل تصميم شبكي.منذ: 1959 دراسات تتبّع حاسوبية مبكرة لأولى السنكروترونات ذات التبئير القوي.
محاكاة كاشف النيوترينو
ضوء أو شحنة من نيوترينو يتفاعل في عمق خزان ماء أو جليد أو سائل، يُتتبَّع عبر الكاشف لمعرفة هيئة الحدث الحقيقي.
السؤال الذي تجيب عنه: أي إشارة سيتركها هذا النوع من النيوترينوات، وهل نستطيع تمييزها عن الخلفية؟
يُغفل: كابلات الكاشف الحقيقي وفقاعاته والصخور التي تعلوه تضيف ضجيجًا لا تتوقعه أي محاكاة بالكامل.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي أو تعاوني، أسابيع لكل تصميم كاشف.منذ: 1987 محاكاة كواشف بُنيت لتفسير دفعة نيوترينو المستعر الأعظم لعام 1987.
نماذج وابل المسعّر التوليدية
شبكة عصبية مدرَّبة على تشغيلات كاملة لنقل الجسيمات تُنتج ترسّبات الطاقة لوابل في كاشف بجزء ضئيل من الكلفة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع مولّد مدرَّب أن يحلّ محل أبطأ جزء في محاكاة الكاشف؟
يُغفل: يعيد إنتاج إحصاءات تشغيلات التدريب، لا فيزياء جديدة، ويضلّ خارج الطاقات التي رآها.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تدريب على ملايين من أحداث الوابل الكاملة، ثم أخذ عيّنات رخيصمنذ: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) المصدر
أخذ العيّنات القائم على التدفق لنظرية الحقل الشبكي
يقترح تدفق تطبيعي مدرَّب تشكيلات حقول كاملة على شبكة، ثم تُصحَّح بخطوة قبول أو رفض دقيقة ليبقى الجواب غير متحيز.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تستطيع أدوات أخذ عيّنات متعلَّمة أن تتغلب على التباطؤ الحرج في مونت كارلو الشبكي المعتاد؟
يُغفل: أُظهرت في معظمها على نظريات مبسّطة منخفضة الأبعاد؛ وتنمو كلفة التدريب بسرعة مع حجم الشبكة.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي التدريب مع مجموعات شبكية كبيرةمنذ: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) المصدر
البنية النووية
بروتونات ونيوترونات مرتبطة في نواة، تُحسب من القوى بينها.
السؤال الذي تجيب عنه: أي نظائر يمكن أن توجد أصلاً، وأي أشكال تتخذ؟
يُغفل: القوة بين النويّات ما زالت غير معروفة بدقة، لذا تُحسب كل نواة من تقريب لها.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي، أيام لنواة ثقيلة واحدة.منذ: 1965 حسابات مبكرة بقطرية نموذج القشرة على حاسوب مركزي.
فيزياء قلب المفاعل
نيوترونات تُولد وتتشتت وتُمتص وتشطر النوى داخل مفاعل طاقة، مقترنة بتدفق الحرارة والمبرّد.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يبقى التفاعل المتسلسل مستقرًا مع احتراق الوقود؟
يُغفل: لا يستطيع أن يلتقط كليًا كل شق ولحام ومسار تدفق في مفاعل حقيقي متقادم.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي أو صناعي، ساعات لكل دورة قلب مفاعل.منذ: 1948 أولى عمليات مونت كارلو للنيوترونات على ENIAC لدى أولام وفون نيومان وميتروبوليس.
نقل الإشعاع
جسيمات تمرّ عبر المادة، تفاعلًا واحدًا في كل مرة: حزم العلاج الإشعاعي في مريض، والأشعة الكونية في هيكل مركبة فضائية.
السؤال الذي تجيب عنه: كم من الجرعة يصل إلى الورم، وكم إلى كل ما حوله؟
يُغفل: تعامل الجسد أو الهيكل هندسةً ثابتة، فتهمل حركته أثناء التعرّض، كالتنفس.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل فيزياء في مستشفى أو عنقود صغير، دقائق لكل خطة.منذ: 1968 أولى حسابات الجرعة بمونت كارلو المقترحة لتخطيط العلاج الإشعاعي.
أمان الحرجية النووية
نقل نيوترونات بمونت كارلو عبر مادة انشطارية مخزّنة أو مُتداولة، للتحقق من أنه لا يمكن أن يبدأ أي تفاعل متسلسل عرضي.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن لهذا الترتيب من المادة الانشطارية أن يبلغ الحرجية عن طريق الخطأ؟
يُغفل: يفترض أن الهندسة والمادة المسجَّلتين في الإقرار تطابقان ما هو موجود فعلًا، فلا تكون النتيجة أوثق من التوثيق.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل مكتبية؛ من دقائق إلى ساعات لكل تهيئة.منذ: 1957 حسابات حرجية محوسبة مبكرة بعد أن دفعت حوادث زمن الحرب إلى قواعد سلامة رسمية.
التنشيط الإشعاعي وسلاسل التحلل
مواد تتعرض للنيوترونات أو الإشعاع فتتراكم فيها نظائر مشعّة جديدة، ثم تتحلل عبر سلاسل نحو الاستقرار.
السؤال الذي تجيب عنه: كم ستكون هذه المادة مشعّة، ولكم من الوقت، بعد تعريضها للإشعاع؟
يُغفل: البيانات النووية للنظائر النادرة قصيرة العمر أكثر نقصًا منها للشائعة، فتنطوي المسارات الثانوية على تخمين أكبر.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي حاسوب محمول؛ يستغرق حساب سلسلة اضمحلال كاملة ثوانيَ.منذ: 1962 برامج حاسوبية مبكرة للتنشيط والاضمحلال في مواد المفاعلات.
نيوترونيات غلاف توليد الوقود في الاندماج
نيوترونات من تفاعل اندماج تتباطأ في الغلاف المحيط، فتولّد وقود التريتيوم وتودع الحرارة التي تدير توربينًا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يولّد الغطاء التوالدي ما يكفي من التريتيوم لإبقاء المفاعل مزوَّدًا بالوقود؟
يُغفل: نُمذج على تصميم لم يوجد بعد بالحجم الكامل، فيُستقرأ سلوك المواد الأساسية.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي محطة عمل أو عنقود صغير، ساعات لكل صيغة تصميم.منذ: 1980 دراسات نيوترونية مبكرة لأغطية التوالد في مفاعلات اندماج مقترحة.
نظرية المجال الفعّالة الشبكية النووية
بروتونات ونيوترونات موضوعة على شبكة زمكان وتتفاعل عبر نظرية فعّالة كيرالية، وتُحلّ بمونت كارلو لإعطاء البنية النووية.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن حساب الحالات المثارة للنوى الخفيفة، مثل حالة هويل في الكربون-12، من قوى النويّات؟
يُغفل: يقتصر على النوى الخفيفة والمتوسطة؛ وتحدّ مشكلات الإشارة من الأنظمة التي يمكن بلوغها.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي تشغيلات مونت كارلو الكبيرة على حواسيب الصدارةمنذ: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) المصدر
ديناميكا المجال المتوسط النووي المعتمدة على الزمن
نوى تتصادم وتنشطر تُتابَع في الزمن الفعلي، وكل نويّة تتحرك في المجال المتوسط لكل الأخريات أثناء تطورها.
السؤال الذي تجيب عنه: ماذا يحدث لنواتين وهما تتلامسان أو تندمجان أو ترتدّان؟
يُغفل: المجال المتوسط لا يستطيع وصف النفق الكمومي بين نتائج مختلفة ولا التقلبات التي تقسم نواتج الانشطار.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عمليات تشغيل ثلاثية الأبعاد معتمدة على الزمن من نوع سكيرم على عنقود حاسوبي.منذ: 1976 حساب بونش وكونين ونيغيل لهارتري–فوك الأحادي البعد المعتمد على الزمن للتصادمات النووية. المصدر
ديناميكا معكرونة قشرة النجم النيوتروني
أعمق طبقة في قشرة النجم النيوتروني، حيث تشكّل النيوترونات والبروتونات قضباناً وصفائح، وتُتتبَّع بالديناميكا الجزيئية لمعرفة صلابتها وكيف تبعثر النيوترينوات.
السؤال الذي تجيب عنه: أي أشكال تتخذها المادة عند قاعدة قشرة النجم النيوتروني؟
يُغفل: تفاعل النويّات جهد بسيط مضبوط، والصندوق أصغر بكثير من قشرة حقيقية.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي ديناميكا جزيئية لعشرات آلاف النيوكليونات، تتكرر عبر كثافات مختلفة.منذ: 2004 الديناميكا الجزيئية لهوروفيتز وبيريز-غارسيا وبييكاريفيتش للمادة غير المنتظمة الغنية بالنيوترونات وعتامتها للنيوترينو. المصدر
اضطراب بلازما الاندماج
بلازما هيدروجين أشد حرارة من قلب الشمس، محصورة بمجال مغناطيسي، مع النقل المضطرب الذي يسبب فقدان الحرارة.
السؤال الذي تجيب عنه: ما الحجم الذي يجب أن تبلغه الآلة قبل أن تنتج طاقة أكثر مما تستهلك؟
يُغفل: لا يزال الاضطراب الكامل بمقياس المفاعل مكلفًا جدًا، فتحاكي معظم التشغيلات شريحة وتستقرئ.
تعمل على: نحو 1017 FLOPS تقريبي حاسوب فائق وطني، مخصَّصات كبيرة لأسابيع.منذ: 1983 برامج اضطراب جيروكينتية مبكرة لبلازما التوكاماك.
بلازما الجسيمات داخل الخلايا
ملايين الجسيمات الكبيرة المشحونة تتحرك عبر مجالات كهربائية ومغناطيسية مخزّنة على شبكة، وتُستخدم لليزر المصطدم بالبلازما وتسريع الموجة الخلفية.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن لموجة بلازما أن تسرّع الإلكترونات في سنتيمترات بدل كيلومترات؟
يُغفل: كل جسيم مُحاكى يمثل جسيمات حقيقية كثيرة، فيطمس الحبيبية الدقيقة لبلازما فعلية.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود GPU كبير، أيام لتشغيل كامل لموجة الأثر الخلفي (wakefield).منذ: 1959 أول تشغيلات للبلازما بطريقة الجسيمات داخل الخلايا الكهروستاتيكية عند بونمان ودوسون.
اتزان البلازما واستقرارها
الشكل الكامل لبلازما محصورة مغناطيسياً، يُفحص مقابل الضغط والتيار اللذين يمكنها تحمّلهما قبل أن تلتوي أو تتمزق أو تنهار.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سيحافظ تكوين البلازما هذا على شكله، أم سينهار؟
يُغفل: غالبًا ما تبدأ الاضطرابات الحقيقية من عيوب وشوائب صغيرة لا يشملها الاتزان المثالي.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي، ساعات لكل مسح توازن.منذ: 1958 اتزانات محسوبة مبكرة لأولى أجهزة الحبس المغناطيسي.
الانفجار الداخلي في الاحتواء بالقصور الذاتي
كبسولة صغيرة من الوقود تُدفع إلى الداخل بإشعاع شديد حتى تصبح حارة وكثيفة بما يكفي للاندماج، تُنمذج بالإشعاع والديناميكا المائية والبلازما المحترقة معًا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل سينضغط الوقود بانتظام كافٍ ليشتعل قبل أن ينفجر على نفسه؟
يُغفل: لا تناظرات دقيقة في الدفع تزرع اضطرابات تكسر التناظر الكروي الذي تفترضه أبسط عمليات التشغيل.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود كبير أو جزء من حاسوب فائق، أيام لكل تصميم.منذ: 1972 محاكاة مبكرة للإشعاع والديناميكا المائية لكبسولات وقود تدفعها الليزرات.
إعادة الاتصال المغناطيسي
خطوط مجال مغناطيسي في بلازما تنكسر وتعاود الالتحام، فتحوّل طاقة المجال المخزونة إلى حرارة وجسيمات سريعة.
السؤال الذي تجيب عنه: ما أسرع ما يمكن أن تنكسر خطوط المجال المغناطيسي وتعاود الاتصال؟
يُغفل: العملية الحقيقية تمتد على مقاييس من مدارات الإلكترونات إلى أنظمة نجمية كاملة لا يغطيها تشغيل واحد دفعة واحدة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عنقود جامعي، أيام لحدث إعادة اتصال واحد.منذ: 1963 نماذج محسوبة مبكرة لإعادة اتصال خطوط المجال بعد نظرية سويت وباركر.
المعالجة الصناعية بالبلازما
أيونات وأنواع تفاعلية في بلازما منخفضة الحرارة تصطدم بسطح وتحفره، وتُستخدم لتشكيل المواد بدقة مجهرية.
السؤال الذي تجيب عنه: هل ستحفر البلازما السطح أو تطليه بانتظام؟
يُغفل: كيمياء السطح عند الجدار ما زالت مبسّطة بعيداً عن تفاصيل غرفة ملوّثة حقيقية.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل أو عنقود صغير، ساعات لكل وصفة عملية.منذ: 1985 نماذج حاسوبية مبكرة للحفر بالبلازما لمعالجة الأسطح.
التسريع بموجة الليزر الخلفية
تشغيلات الجسيمات داخل الخلايا لنبضة ليزر شديدة تدفع موجة بلازما تحتجز الإلكترونات وتسرّعها على مدى ملّيمترات.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يمكن لموجة بلازما أن تسرّع الإلكترونات إلى طاقة عالية في مسافة قصيرة جدًا؟
يُغفل: عادةً ما تُفترض عمليات التأيّن وتفاعل الإشعاع وعيوب الليزر والهدف على نحو مثالي.
تعمل على: نحو 1018 FLOPS تقريبي جسيمات داخل خلايا ثلاثية الأبعاد، مليارات الجسيمات على امتداد دورات موجية كثيرةمنذ: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) المصدر
تحسين تشكيل الستيلاراتور
شكل زجاجة مغناطيسية ملتوية لبلازما الاندماج، يُعدَّل بالحاسوب حتى تبقى مدارات الجسيمات محصورة ويستقر التوازن دون تيار مُسيَّر.
السؤال الذي تجيب عنه: أي شكل مغناطيسي ثلاثي الأبعاد يحبس بلازما حارة على أفضل وجه؟
يُغفل: تُقيَّم الأشكال المحسَّنة على اتزانات مثالية؛ ثم يأتي الاضطراب وتفاوتات الملفات لاحقًا وغالبًا ما تفسد النتيجة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي آلاف حسابات التوازن والمدارات داخل حلقة تحسين.منذ: 1988 الستيلاريتورات شبه الحلزونية التناظر المحسوبة، لنورنبرغ وتسيله. المصدر
نمذجة منصة حافة التوكاماك وانفجارات ELM
الطبقة شديدة الانحدار عند حافة بلازما التوكاماك والانفجارات الدورية التي ترمي الحرارة على الجدار، تُحسب من الاستقرار المغناطيسي الهيدروديناميكي للحافة.
السؤال الذي تجيب عنه: إلى أي ارتفاع يمكن أن يصعد ضغط الحافة قبل أن تنفجر البلازما؟
يُغفل: عتبات الاستقرار تُتوقَّع جيداً، لكن الانفجار اللاخطي الكامل، بفيزيائه الحركية وفيزياء الجدار، ما زال خارج نطاق التنبؤ الروتيني.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تشغيلات MHD ممتدة لاخطية لانفجار واحد على تخصيص كبير.منذ: 2002 نموذج سنايدر وزملائه للتقشير والانتفاخ لأنماط الحافة الموضعية والمنصّة. المصدر
نمذجة جهاز التوكاماك كاملاً
نماذج التسخين والنقل والاتزان والحافة والجدار لجهاز اندماج كامل، مقترنة في سير عمل متكامل واحد يتنبأ بتفريغ كامل.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن التنبؤ بتفريغ بلازما كامل قبل بناء الآلة؟
يُغفل: معظم الوحدات نماذج مختزلة مضبوطة على آلات سابقة، فتحمل التنبؤات لنظام جديد عدم يقين واسعًا.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي وحدات مبسَّطة وعالية الدقة مقترنة تُشغَّل لتفريغ كامل.منذ: 2015 حزمة النمذجة والتحليل المتكاملة لـ ITER التي قدّمها إمبو وزملاؤه، وهي أولى تطبيقات نموذج بيانات موحّد يربط هذه الوحدات. المصدر
محاكاة الصدمات عديمة التصادم
موجات صدمة في بلازما الفضاء لا تتصادم فيها الجسيمات أبدًا، تُتتبَّع فيها الأيونات فرادى والإلكترونات كمائع فتتشكل جبهة الصدمة من الحقول وحدها.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تُسرَّع الأيونات عند صدمة لا يصطدم فيها شيء؟
يُغفل: تُعامَل الإلكترونات كمائع، والصندوق رقعة صغيرة من صدمة، فتغيب البنية واسعة النطاق.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي تشغيلات حركية هجينة كبيرة في بعدين أو ثلاثة.منذ: 1985 المحاكاة الهجينة لكويست للصدمات العمودية بلا تصادمات بأعداد ماخ العالية. المصدر
محاكاة البلازما الغبارية ومنظومات يوكاوا
حبيبات مشحونة معلّقة في بلازما، تُنمذج كجسيمات تتنافر عبر جهد محجوب فتتجمد إلى بلورات أو تذوب إلى سوائل.
السؤال الذي تجيب عنه: عند أي قوة اقتران تتبلور سحابة من الحبيبات المشحونة؟
يُغفل: جهد التنافر المحجوب يحل محل البلازما ويتجاهل الأثر الخلفي وشحن الحبيبات اللذين تُظهرهما سحب الغبار الحقيقية.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي ديناميكا جزيئية لما يصل إلى مليون حبيبة لأزمنة طويلة.منذ: 1994 ثرموديناميكا أنظمة يوكاوا شديدة الاقتران من مونت كارلو والديناميكا الجزيئية، بقلم هاماغوتشي وفاروقي. المصدر
محاكاة البلازما أحادية المكوّن
شحنات مغمورة في خلفية معادِلة موحّدة، تُحاكى لإيجاد معادلة الحالة والتبلور للمادة الكثيفة داخل الأقزام البيضاء والكواكب العملاقة.
السؤال الذي تجيب عنه: عند أي كثافة تتجمد المادة النجمية الكثيفة؟
يُغفل: الخلفية الإلكترونية المنتظمة تحل محل الإلكترونات الحقيقية القابلة للاستقطاب.
تعمل على: نحو 1010 FLOPS تقريبي مونت كارلو لعشرات آلاف الأيونات، وهو متواضع بمعايير اليوم.منذ: 1966 دراسة مونت كارلو لبلازما أحادية المكوّن عند براش وساهلين وتيلر. المصدر
التحكم في البلازما المتعلَّم داخل المحاكاة
متحكّم بالتعلم المعزَّز يتمرن على تشكيل بلازما توكاماك وإبقائها بإصدار أوامر إلى ملفات المغناطيس في محاكاة سريعة لتوازنها وتطورها، ثم يُشغَّل على الجهاز الحقيقي.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع متحكّم تعلّم في المحاكاة وحدها أن يحبس بلازما حارة في شكل مطلوب؟
يُغفل: نموذج التدريب يُهمل الاضطراب وعدم الاستقرار السريع، لذا لا يُوثق بالمتحكم إلا ضمن الظروف التي يلتقطها.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي أيام من التدريب على بضع مئات من المسرّعات، تشغّل نموذج البلازما ملايين المرات.منذ: 2022 متحكّم التعلم المعزَّز العميق لدوغراف وزملائه، دُرّب في المحاكاة وشُغّل على توكاماك. المصدر
الأنظمة الكمومية متعددة الأجسام
إلكترونات أو سبينات كثيرة متفاعلة على شبكة، تُعالَج بشبكات التنسورات ومونت كارلو الكمي لأن الحالة الدقيقة أكبر بكثير من أن تُخزَّن.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا تصبح بعض المواد فائقة التوصيل، وهل يمكن لإحداها أن تفعل ذلك عند درجة حرارة الغرفة؟
يُغفل: الشبكات التنسورية ومونت كارلو الكمي كلاهما يخفقان في بعض أكثر الأنظمة إثارة، المحبَطة أو الفرميونية.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود كبير أو جزء من حاسوب فائق، أيام لكل مادة.منذ: 1980 أول مونت كارلو كمومي دقيق لغاز الإلكترونات عند سيبرلي وألدر.
محاكاة الحاسوب الكمومي
حاسوب تقليدي يخزّن الحالة الكمومية الكاملة لسجل من الكيوبتات ويطبّق عليها البوابات. تتضاعف الذاكرة مع كل كيوبت يُضاف.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تعمل هذه الخوارزمية الكمومية قبل أن يبني أحد العتاد لتشغيلها؟
يُغفل: تتضاعف الذاكرة المطلوبة مع كل كيوبت إضافي، فلا يمكنها إلا محاكاة الحالات الصغيرة دون أي أفضلية كمية.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عقدة عنقود كثيفة الذاكرة؛ تتضاعف الكلفة مع كل كيوبت إضافي.منذ: 1996 محاكيات تقليدية مبكرة لدارات كمومية صغيرة.
المحاكاة الكمومية التناظرية
نظام كمومي واحد قابل للتحكم، مثل ذرات فائقة البرودة في شبكة من ضوء الليزر، يُضبط ليتصرف كنظام آخر يصعب حسابه.
السؤال الذي تجيب عنه: إذا عجز حاسوب كلاسيكي عن حلّ النموذج، فهل يمكن جعل نظام فيزيائي قابل للتحكم يحلّه بدلًا منه؟
يُغفل: لا يفيد إلا في النموذج الواحد الذي بُني ليحاكيه، وليس بالضرورة في المادة الحقيقية التي دفعت إلى بنائه.
تعمل على: لا حاسوب. الذرات نفسها تحسب؛ وحاسوب التحكم يسجّل النتائج فقط.منذ: 2002 انتقال غرينر وزملائه من الحالة فائقة الميوعة إلى عازل موت في ذرّات فائقة البرودة داخل شبكة ضوئية، ثم قُرئ لاحقًا كأولى المحاكاة الكمومية التناظرية المصدرفي شجرة المحاكيات: محاكي كمّي بالذرات الباردة
تصحيح الأخطاء الكمومي
كيوبتات حاسوب كمومي والضجيج الذي يفسدها، يُفحص مقابل شيفرة مصمَّمة لكشف الأخطاء وإصلاحها قبل أن تنتشر.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تحمي شيفرة تصحيح الأخطاء هذه الحساب فعلًا في ظل ضجيج واقعي؟
يُغفل: الضجيج الحقيقي مترابط وينجرف مع الوقت بطرق نادرًا ما تلتقطها النماذج المثالية.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي عقدة عنقود كثيفة الذاكرة؛ تزداد الكلفة كثيرًا مع الشيفرات الأكبر.منذ: 1996 محاكاة مبكرة لاختبار أولى شيفرات تصحيح الأخطاء المقترحة.
المادة الكمية الطوبولوجية
إلكترونات على شبكة مرتبة بحيث تعتمد حالتها الجمعية على شكلها العام لا على التفاصيل المحلية، تُحسب لإيجاد حالات هول الكمومية وأطوار طبولوجية أخرى.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تستضيف هذه المادة طورًا من المادة محميًّا بطبولوجيتها لا بتناظرها؟
يُغفل: التمييز بين حالة طوبولوجية حقيقية وحالة عادية شديدة الشبه بها قد يتوقف على دقة عددية لا تبلغها معظم التشغيلات.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي عنقود كبير أو جزء من حاسوب فائق، أيام لكل منظومة مرشَّحة.منذ: 1988 دراسات عددية مبكرة بعد الاكتشاف النظري للترتيب الطبولوجي.
ديناميكا الغازات الذرية فائقة البرودة
سحابة من الذرات بُرّدت حتى تشترك في دالة موجية كمومية واحدة، وتُطوَّر بمعادلة المجال المتوسط التي تصف مكثّف بوز وأينشتاين.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف يتذبذب المكثَّف أو ينقسم أو يكوّن دوّامات حين يُضطرب؟
يُغفل: معادلة المجال المتوسط تفوّت ارتباطات الذرات الفردية التي تهم قرب الانتقال الطوري.
تعمل على: نحو 1013 FLOPS تقريبي محطة عمل؛ من دقائق إلى ساعات لكل سحابة محتجزة.منذ: 1995 نمذجة بُنيت حول أولى مكثّفات بوز-أينشتاين المخبرية.
المحاكاة الكمومية الرقمية على العتاد
حاسوب كمومي مبني من كيوبتات يمكن التحكم بها يشغّل سلسلة من البوابات تحاكي تطور منظومة أخرى من النوع نفسه.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع جهاز كمومي قابل للبرمجة أن يعيد إنتاج ديناميكا نموذج أكبر من ذاكرة حاسوب تقليدي؟
يُغفل: يحدّ الضجيج العمق، ويُدخل تقريب تروتر خطأه الخاص.
تعمل على: لا حاسوب. عتاد كمومي، لا FLOPS كلاسيكية؛ والتحقق على الآلات التقليدية بحجم صغير فقطمنذ: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) المصدر
نظرية المقياس الشبكية على عتاد كمومي
حاسوب كمومي من بضعة كيوبتات يطوّر نظرية مقياس شبكية في الوقت الفعلي، وهي مهمة عسيرة على مونت كارلو التقليدي بسبب مشكلة الإشارة.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يمكن تشغيل ديناميكا نظرية مقياس في الزمن الفعلي على حاسوب كمومي؟
يُغفل: بُعد مكاني واحد وحفنة من المواقع حتى الآن.
تعمل على: لا حاسوب. أعداد الكيوبتات صغيرة؛ وتكلفة التحقق الكلاسيكي المتقاطع تنمو أُسّياًمنذ: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) المصدر
حالات كمومية بشبكات عصبية
تمثّل شبكة عصبية الدالة الموجية لمنظومة متعددة الجسيمات، وتُضبط معاملاتها بمونت كارلو التغايري لإيجاد الحالات الأرضية والديناميكا.
السؤال الذي تجيب عنه: هل تستطيع شبكة عصبية أن ترمّز بإيجاز حالة كمومية أكبر من أن تُخزَّن بدقة؟
يُغفل: تعتمد الدقة على تصميم الشبكة، وقد يتعثر التحسين في قيم صغرى محلية رديئة.
تعمل على: نحو 1016 FLOPS تقريبي التدريب بمونت كارلو التغايري على المسرِّعاتمنذ: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) المصدر
ديناميكا دوامات الموصلات الفائقة
أنابيب التدفق المغناطيسي التي تخترق موصلاً فائقاً من النوع الثاني، تُتبَّع وهي تتحرك وتتثبت عند العيوب وتبدد الطاقة، باستخدام نظرية مجال متعلقة بالزمن للحالة فائقة التوصيل.
السؤال الذي تجيب عنه: كيف تتحرك الدوّامات المغناطيسية وتعلق داخل موصّل فائق؟
يُغفل: نظرية المجال الظاهراتية تتجاهل سلوك الإلكترونات المجهري ولا تصح إلا قرب درجة حرارة الانتقال.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي عمليات تشغيل ثلاثية الأبعاد لنموذج غينزبورغ-لانداو المعتمد على الزمن على عنقود حاسوبي.منذ: 1996 المحاكاة العددية التي أجراها غروب وزملاؤه لديناميكيات الدوّامات في الموصِّلات فائقة التوصيل من النوع الثاني. المصدر
مونت كارلو بتكامل المسار للموائع الكمومية
يُمثَّل كل جسيم كمومي كحلقة من نسخ مترابطة، تُؤخذ منها عيّنات عند درجة حرارة غير صفرية لحساب الهيليوم فائق الميوعة وسوائل بوزونية أخرى من التفاعل وحده.
السؤال الذي تجيب عنه: لماذا يجري الهيليوم السائل دون احتكاك تحت كلفنين اثنين؟
يُغفل: تعاني الفرميونات من مشكلة الإشارة، فتحتاج الإلكترونات والهيليوم-3 إلى تقريبات تُدخل خطأً غير منضبط.
تعمل على: نحو 1014 FLOPS تقريبي مليارات عيّنات المسارات لسائل كتلي.منذ: 1984 محاكاة بولوك وسيبرلي بتكامل المسار للأنظمة الكمومية متعددة الأجسام والهيليوم فائق الميوعة. المصدر
محاكاة دوائر المثبِّتات
حاسوب تقليدي يتتبّع دارة كمومية مبنية من بوابات كليفورد فقط، عبر متابعة تغيّر جدول صغير من مؤثرات باولي بدل تخزين الحالة الكاملة. وهذا يتيح تشغيل دارات تصحيح الأخطاء ذات الآلاف من الكيوبتات.
السؤال الذي تجيب عنه: كم مرة يفشل رمز تصحيح الأخطاء حين يكون كل بوّابة وقياس وخطوة خمول مشوشًا؟
يُغفل: لا يمكن تتبّع إلا الدارات المصنوعة من عمليات كليفورد وقياسات باولي بهذه الطريقة، فالحوسبة الكمومية الشاملة بعيدة المنال.
تعمل على: نحو 1012 FLOPS تقريبي ملايين اللقطات المشوَّشة لرقعة برمجية كبيرة على عنقود من محطات العمل.منذ: 2004 خوارزمية آرونسون وغوتسمان المحسّنة لمحاكاة دارات المثبِّتات في زمن متعدد الحدود. المصدر
مُفكِّكات تصحيح الأخطاء المتعلَّمة
تُدرَّب شبكة عصبية على أنماط أخطاء مُحاكاة من شيفرة كمومية لتقرأ المتلازمات المقيسة وتستنتج أي تصحيح يُطبَّق.
السؤال الذي تجيب عنه: هل يستطيع فاكّ ترميز متعلَّم أن يصحح الأخطاء في ذاكرة كمومية أسرع أو أدق من خوارزمية مصمَّمة يدويًا؟
يُغفل: لا يعرف فاكّ الترميز إلا نموذج الضوضاء الذي دُرّب عليه، والعتاد الحقيقي ينحرف وفيه أخطاء مترابطة لم تُدرجها المحاكاة.
تعمل على: نحو 1015 FLOPS تقريبي تدريب على مليارات المتلازمات المحاكاة على عُقد وحدات معالجة الرسوميات.منذ: 2016 Torlai and Melko's neural decoder for topological codes (arXiv 2016, published 2017). المصدر
محاكاة الشبكات الكمومية
عُقد تحمل الكيوبتات، وروابط متشابكة، وقنوات فوتونات مشوّشة تُنمذَج كأحداث منفصلة في الزمن، لاختبار بروتوكولات تقاسم التشابك عبر شبكة.
السؤال الذي تجيب عنه: بأي سرعة وبأي أمانة يمكن لعقدتين متباعدتين تقاسم التشابك عبر مكرّرات وألياف ضائعة؟
يُغفل: يُختصر ضجيج العتاد في بضعة نماذج ذات معاملات، ولا توجد شبكة واسعة النطاق يمكن أن تُختبر عليها المعدلات المتوقعة.
تعمل على: نحو 1011 FLOPS تقريبي تشغيلات طويلة كثيرة لبروتوكول شبكة على خادم واحد.منذ: 2021 NetSquid لكوبمانس وزملائه، محاكٍ للأحداث المنفصلة للشبكات الكمومية. المصدر