Grundlagenphysik
Quarks, Kerne, Plasmen und Quantenmaterie: die kleinsten simulierten Systeme und unter den rechenaufwendigsten.
Das Fundament der Hierarchie. Diese Simulationen gehen von der Grundlagentheorie aus, dem Standardmodell und der Quantenmechanik, und berechnen deren Folgen. Sie kommen der Erzeugung physikalischer Phänomene aus ersten Prinzipien am nächsten. Sie erklären auch, warum die feinsten Materieebenen der Sandbox so viel Rechenleistung brauchen.
Gitter-QCD
Quarks und Gluonen auf einem vierdimensionalen Gitter aus Raumzeitpunkten, genutzt, um die Massen und Eigenschaften von Protonen, Neutronen und anderen Hadronen allein aus der starken Kraft zu berechnen.
Frage, die sie beantwortet: Wie groß ist die Masse eines Protons, wenn man von nichts als der Theorie ausgeht?
Lässt aus: Gitterabstand und Boxgröße sind Kompromisse. Die Ergebnisse werden zum Kontinuum und zum unendlichen Volumen hin extrapoliert, erreichen sie aber nie.
Läuft auf: etwa 1017 FLOPS grob die Zuteilung eines nationalen Supercomputers, Wochen auf einer großen Partition.Seit: 1979 Creutz' Monte-Carlo-Studie der reinen SU(2)-Gittereichtheorie, ohne Quarks; Quarks kamen später hinzu QuelleIm Simulationen-Baum: Gitter-Eichtheorie mit Monte Carlo
Erzeugung von Collider-Ereignissen
Jede Proton-Proton-Kollision in einem Beschleuniger, von der harten Streuung über Partonschauer bis zum Hadronenschwarm, der den Detektor erreicht.
Frage, die sie beantwortet: Wie sähen die Daten aus, wenn ein vorgeschlagenes neues Teilchen real wäre?
Lässt aus: Nähert die Quanteninterferenz zwischen allen beteiligten Prozessen an, indem nur die dominanten beibehalten werden, mit Parametern, die an frühere Daten angepasst sind.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Grid-Computing-Cluster, der Milliarden simulierter Kollisionen verarbeitet.Seit: 1982 frühe computergestützte Partonschauer-Ereignisgeneratoren für die Beschleunigerphysik.
Detektorantwort
Jedes Teilchen, das eine Kollision verlässt, durch Schichten aus Silizium, Kalorimeter und Magnet geführt, wobei es unterwegs Energie ablagert.
Frage, die sie beantwortet: Welche echten Signale wird der Detektor übersehen, und welche wird er vortäuschen?
Lässt aus: Setzt voraus, dass Geometrie und Kalibrierung des Detektors genau wie entworfen sind, während alternde Kabel und Strahlenschäden sie zunehmend verschlechtern.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitäts- oder Grid-Computing-Cluster, Millionen CPU-Stunden im Jahr.Seit: 1974 Das erste allgemeine Teilchentransportprogramm des CERN für den Detektorentwurf.
Kosmische Luftschauer
Ein einzelnes sehr energiereiches Teilchen aus dem All, das auf die obere Atmosphäre trifft und auf dem Weg nach unten zu Milliarden von Sekundärteilchen kaskadiert.
Frage, die sie beantwortet: Welche Art Teilchen aus welcher Entfernung hat das Muster erzeugt, das unsere Bodendetektoren gesehen haben?
Lässt aus: Stützt sich auf Kollisionsmodelle, die weit über jede Energie hinaus extrapoliert sind, die ein Beschleuniger getestet hat.
Läuft auf: etwa 1014 FLOPS grob ein kleiner Cluster oder eine leistungsstarke Workstation, Stunden pro Schauersatz.Seit: 1961 frühe Monte-Carlo-Modelle von Teilchenkaskaden der kosmischen Strahlung.
Strahldynamik in Beschleunigern
Bündel geladener Teilchen, die Millionen Umläufe durch Magnete drehen und von den Feldern und voneinander angetrieben werden.
Frage, die sie beantwortet: Bleibt der Strahl eng gebündelt, oder weitet er sich allmählich und trifft die Wände?
Lässt aus: Idealisiert die Magnete als spezifikationsgetreu gebaut, obwohl echte Magnete kleine Fertigungsfehler haben, die über Millionen Umläufe ins Gewicht fallen.
Läuft auf: etwa 1013 FLOPS grob eine Desktop-Workstation oder ein kleiner Cluster, Minuten pro Gitterentwurf.Seit: 1959 frühe Computer-Verfolgungsstudien für die ersten stark fokussierenden Synchrotrons.
Simulation von Neutrinodetektoren
Licht oder Ladung von einem Neutrino, das tief in einem Tank mit Wasser, Eis oder Flüssigkeit wechselwirkt, durch den Detektor verfolgt, um herauszufinden, wie ein echtes Ereignis aussieht.
Frage, die sie beantwortet: Welches Signal würde diese Art von Neutrino hinterlassen, und können wir es vom Hintergrund unterscheiden?
Lässt aus: Kabel, Blasen und Gesteinsüberdeckung eines echten Detektors erzeugen Rauschen, das keine Simulation vollständig vorhersieht.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitäts- oder Kollaborationscluster, Wochen pro Detektorentwurf.Seit: 1987 Detektorsimulationen, gebaut, um den Neutrinoausbruch der Supernova von 1987 zu deuten.
Generative Kalorimeter-Schauermodelle
Ein neuronales Netz, trainiert an vollständigen Teilchentransport-Läufen, erzeugt die Energiedeposition eines Schauers in einem Detektor bei einem winzigen Bruchteil des Rechenaufwands.
Frage, die sie beantwortet: Kann ein trainierter Generator den langsamsten Teil einer Detektorsimulation ersetzen?
Lässt aus: Es reproduziert die Statistik der Trainingsläufe, keine neue Physik, und gerät außerhalb der Energien, die es gesehen hat, aus der Spur.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob Training an Millionen vollständiger Schauerereignisse, danach Sampling mit geringem AufwandSeit: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) Quelle
Flussbasiertes Sampling für die Gitterfeldtheorie
Ein trainierter Normalizing Flow schlägt ganze Feldkonfigurationen auf einem Gitter vor, die dann durch einen exakten Annahme-oder-Ablehnungs-Schritt korrigiert werden, sodass das Ergebnis unverzerrt bleibt.
Frage, die sie beantwortet: Können gelernte Sampler das kritische Langsamerwerden des gewöhnlichen Gitter-Monte-Carlo überwinden?
Lässt aus: Vor allem an niedrigdimensionalen Spielzeugtheorien gezeigt; der Trainingsaufwand wächst schnell mit dem Gittervolumen.
Läuft auf: etwa 1017 FLOPS grob Training plus große GitterensemblesSeit: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) Quelle
Kernstruktur
Protonen und Neutronen, gebunden in einem Kern, berechnet aus den Kräften zwischen ihnen.
Frage, die sie beantwortet: Welche Isotope können überhaupt existieren, und welche Formen nehmen sie an?
Lässt aus: Die Kraft zwischen Nukleonen ist noch nicht genau bekannt, deshalb wird jeder Kern aus einer Näherung davon berechnet.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage für einen schweren Kern.Seit: 1965 frühe Schalenmodell-Diagonalisierungsrechnungen auf einem Großrechner.
Reaktorkernphysik
Neutronen, die in einem Kraftwerksreaktor entstehen, gestreut und absorbiert werden und Kerne spalten, gekoppelt an Wärme- und Kühlmittelströmung.
Frage, die sie beantwortet: Bleibt die Kettenreaktion stabil, während der Brennstoff abbrennt?
Lässt aus: Kann nicht jeden Riss, jede Schweißnaht und jeden Strömungsweg in einem alternden echten Reaktor vollständig erfassen.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitäts- oder Industriecluster, Stunden pro Kernzyklus.Seit: 1948 Die ersten Monte-Carlo-Neutronenläufe auf dem ENIAC von Ulam, von Neumann und Metropolis.
Strahlungstransport
Teilchen, die Materie durchqueren, Wechselwirkung für Wechselwirkung: Strahlen der Strahlentherapie in einem Patienten, kosmische Strahlen in einer Raumschiffhülle.
Frage, die sie beantwortet: Welcher Anteil der Dosis landet im Tumor, und wie viel in allem, was ihn umgibt?
Lässt aus: Behandelt Körper oder Rumpf als feste Geometrie und lässt seine Bewegung während der Belichtung aus, etwa die Atmung.
Läuft auf: etwa 1013 FLOPS grob eine Physik-Workstation im Krankenhaus oder ein kleiner Cluster, Minuten pro Plan.Seit: 1968 erste Monte-Carlo-Dosisberechnungen, die für die Strahlentherapieplanung vorgeschlagen wurden.
Kritikalitätssicherheit in der Kerntechnik
Monte-Carlo-Neutronentransport durch gelagertes oder gehandhabtes spaltbares Material, um zu prüfen, dass keine unbeabsichtigte Kettenreaktion starten kann.
Frage, die sie beantwortet: Könnte diese Anordnung spaltbaren Materials versehentlich kritisch werden?
Lässt aus: Setzt voraus, dass Geometrie und Material in der Deklaration mit dem übereinstimmen, was tatsächlich vorhanden ist; das Ergebnis ist also nur so zuverlässig wie die Dokumentation.
Läuft auf: etwa 1013 FLOPS grob eine Desktop-Workstation; Minuten bis Stunden pro Konfiguration.Seit: 1957 frühe computergestützte Kritikalitätsberechnungen, nachdem Unfälle in Kriegszeiten förmliche Sicherheitsregeln ausgelöst hatten.
Aktivierung und Zerfallsketten
Materialien, die Neutronen oder Strahlung ausgesetzt sind und neue radioaktive Isotope aufbauen, die dann über Ketten zur Stabilität hin zerfallen.
Frage, die sie beantwortet: Wie radioaktiv wird dieses Material nach der Bestrahlung sein, und wie lange?
Lässt aus: Kerndaten für seltene, kurzlebige Isotope sind lückenhafter als für häufige, sodass Nebenpfade mehr Raterei enthalten.
Läuft auf: etwa 1012 FLOPS grob ein Laptop; eine vollständige Zerfallsketten-Rechnung dauert Sekunden.Seit: 1962 frühe Computerprogramme für Aktivierung und Zerfall in Reaktormaterialien.
Neutronik von Fusions-Brutblankets
Neutronen aus einer Fusionsreaktion, die im umgebenden Blanket abgebremst werden, den Brennstoff Tritium erbrüten und die Wärme abgeben, die eine Turbine antreiben würde.
Frage, die sie beantwortet: Brütet das Blanket genug Tritium, um den Reaktor mit Brennstoff zu versorgen?
Lässt aus: Modelliert nach einem Entwurf, den es in voller Größe noch nicht gibt, sodass wichtiges Materialverhalten extrapoliert wird.
Läuft auf: etwa 1014 FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Entwurfsvariante.Seit: 1980 frühe Neutronik-Studien für geplante Fusionsreaktor-Blankets.
Effektive Feldtheorie auf dem Kerngitter
Protonen und Neutronen auf einem Raumzeitgitter, die über eine chirale effektive Theorie wechselwirken, per Monte-Carlo gelöst, um die Kernstruktur zu liefern.
Frage, die sie beantwortet: Lassen sich die angeregten Zustände leichter Kerne, etwa der Hoyle-Zustand von Kohlenstoff-12, aus Nukleonenkräften berechnen?
Lässt aus: Auf leichte und mittelschwere Kerne beschränkt; Vorzeichenprobleme begrenzen, welche Systeme sich erreichen lassen.
Läuft auf: etwa 1018 FLOPS grob Große Monte-Carlo-Läufe auf Leadership-MaschinenSeit: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) Quelle
Zeitabhängige Kern-Mean-Field-Dynamik
Kollidierende und spaltende Kerne, in Echtzeit verfolgt, wobei sich jedes Nukleon im mittleren Feld aller anderen bewegt, während es sich entwickelt.
Frage, die sie beantwortet: Was geschieht mit zwei Kernen, wenn sie sich berühren, verschmelzen oder auseinanderprallen?
Lässt aus: Ein mittleres Feld kann weder das Quantentunneln zwischen verschiedenen Ausgängen beschreiben noch die Schwankungen, die die Spaltausbeuten aufteilen.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob dreidimensionale zeitabhängige Läufe vom Skyrme-Typ auf einem Cluster.Seit: 1976 Bonches, Koonins und Negeles eindimensionale zeitabhängige Hartree-Fock-Rechnung für Kernkollisionen. Quelle
Pasta-Dynamik in der Kruste von Neutronensternen
Die tiefste Schicht der Kruste eines Neutronensterns, in der Neutronen und Protonen Stäbe und Platten bilden, wird mit Molekulardynamik verfolgt, um ihre Steifigkeit und die Streuung von Neutrinos zu bestimmen.
Frage, die sie beantwortet: Welche Formen nimmt Materie am Grund einer Neutronensternkruste an?
Lässt aus: Die Nukleonenwechselwirkung ist ein einfaches angepasstes Potenzial, und die Box ist weit kleiner als eine echte Kruste.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob Molekulardynamik von Zehntausenden Nukleonen, wiederholt über Dichten.Seit: 2004 Horowitz, Perez-Garcia und Piekarewiczs Molekulardynamik nichtuniformer neutronenreicher Materie und ihrer Neutrino-Opazität. Quelle
Turbulenz in Fusionsplasmen
Ein Wasserstoffplasma, heißer als der Kern der Sonne, eingeschlossen von einem Magnetfeld, samt dem turbulenten Transport, der den Wärmeverlust antreibt.
Frage, die sie beantwortet: Wie groß muss die Maschine sein, bevor sie mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht?
Lässt aus: Volle Turbulenz im Reaktormaßstab ist noch zu aufwendig, sodass die meisten Läufe einen Ausschnitt simulieren und extrapolieren.
Läuft auf: etwa 1017 FLOPS grob ein nationaler Supercomputer, eine große Zuteilung für Wochen.Seit: 1983 frühe gyrokinetische Turbulenzprogramme für Tokamak-Plasmen.
Particle-in-Cell-Plasma
Millionen geladener Makroteilchen, die sich durch elektrische und magnetische Felder bewegen, die auf einem Gitter gespeichert sind, genutzt für Laser, die auf Plasma treffen, und für Wakefield-Beschleunigung.
Frage, die sie beantwortet: Kann eine Plasmawelle Elektronen auf Zentimetern statt auf Kilometern beschleunigen?
Lässt aus: Jedes simulierte Teilchen steht für viele echte, was die feine Körnigkeit eines echten Plasmas verwischt.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob ein großer GPU-Cluster, Tage für einen vollständigen Wakefield-Lauf.Seit: 1959 Bunemans und Dawsons erste elektrostatische Particle-in-Cell-Plasmaläufe.
Plasmagleichgewicht und -stabilität
Die ganze Form eines magnetisch eingeschlossenen Plasmas wird gegen den Druck und Strom geprüft, den sie tragen kann, bevor sie sich verbiegt, reißt oder zusammenbricht.
Frage, die sie beantwortet: Hält diese Plasmakonfiguration ihre Form, oder kollabiert sie?
Lässt aus: Echte Disruptionen beginnen oft an kleinen Unvollkommenheiten und Verunreinigungen, die ein idealisiertes Gleichgewicht nicht enthält.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitätscluster, Stunden pro Gleichgewichtsscan.Seit: 1958 frühe berechnete Gleichgewichte für die ersten Geräte zum magnetischen Einschluss.
Implosion bei Trägheitseinschluss
Eine kleine Brennstoffkapsel, von intensiver Strahlung nach innen getrieben, bis sie heiß und dicht genug zum Fusionieren ist; modelliert als Strahlung, Hydrodynamik und brennendes Plasma zusammen.
Frage, die sie beantwortet: Wird der Brennstoff gleichmäßig genug komprimiert, um zu zünden, bevor er sich selbst zerreißt?
Lässt aus: Winzige Asymmetrien im Antrieb säen Instabilitäten, die die Kugelsymmetrie brechen, die die einfachsten Läufe annehmen.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob ein großer Cluster oder eine Supercomputer-Partition, Tage pro Entwurf.Seit: 1972 frühe Strahlungshydrodynamik-Simulationen lasergetriebener Brennstoffkapseln.
Magnetische Rekonnexion
Magnetfeldlinien in einem Plasma, die reißen und sich wieder verbinden und dabei gespeicherte Feldenergie in Wärme und schnelle Teilchen umwandeln.
Frage, die sie beantwortet: Wie schnell können Magnetfeldlinien tatsächlich reißen und sich wieder verbinden?
Lässt aus: Der echte Vorgang erstreckt sich über Skalen von Elektronenbahnen bis zu ganzen Sternsystemen, die kein einzelner Lauf auf einmal abdeckt.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage für ein Rekonnexionsereignis.Seit: 1963 frühe berechnete Modelle der Feldlinien-Rekonnexion nach der Theorie von Sweet und Parker.
Industrielle Plasmaverfahren
Ionen und reaktive Spezies in einem Niedertemperaturplasma, die auf eine Oberfläche treffen und sie ätzen, um Materialien mit mikroskopischer Präzision zu formen.
Frage, die sie beantwortet: Ätzt oder beschichtet das Plasma die Oberfläche gleichmäßig?
Lässt aus: Die Oberflächenchemie an der Wand ist noch weit gröber vereinfacht als in einer echten, verunreinigten Kammer.
Läuft auf: etwa 1013 FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Prozessrezept.Seit: 1985 frühe Computermodelle des Plasmaätzens für die Oberflächenbearbeitung.
Laser-Wakefield-Beschleunigung
Particle-in-Cell-Läufe eines intensiven Laserpulses, der eine Plasmawelle antreibt, die Elektronen auf Millimetern einfängt und beschleunigt.
Frage, die sie beantwortet: Wie kann eine Plasmawelle Elektronen auf kürzester Strecke auf hohe Energie beschleunigen?
Lässt aus: Ionisation, Strahlungsrückwirkung und Unvollkommenheiten von Laser und Target werden meist idealisiert.
Läuft auf: etwa 1018 FLOPS grob 3D-Particle-in-Cell, Milliarden Teilchen über viele WellenperiodenSeit: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) Quelle
Optimierung von Stellarator-Konfigurationen
Die Form einer verdrehten magnetischen Flasche für Fusionsplasma wird per Computer angepasst, bis die Teilchenbahnen eingeschlossen bleiben und das Gleichgewicht ohne getriebenen Strom stabil ist.
Frage, die sie beantwortet: Welche dreidimensionale Magnetform schließt ein heißes Plasma am besten ein?
Lässt aus: Optimierte Formen werden an idealisierten Gleichgewichten gemessen; Turbulenz und Spulentoleranzen kommen später und verderben das Ergebnis oft.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob Tausende Gleichgewichts- und Bahnberechnungen in einer Optimierungsschleife.Seit: 1988 Nührenberg und Zilles berechnete quasi-helikal symmetrische Stellaratoren. Quelle
Modellierung von Tokamak-Randpedestal und ELMs
Die steilrandige Schicht am Rand eines Tokamak-Plasmas und die periodischen Ausbrüche, die Wärme auf die Wand werfen, berechnet aus der magnetohydrodynamischen Stabilität des Randes.
Frage, die sie beantwortet: Wie hoch kann der Randdruck steigen, bevor das Plasma ausbricht?
Lässt aus: Stabilitätsschwellen werden gut vorhergesagt, aber der volle nichtlineare Ausbruch mit seiner kinetischen und Wandphysik liegt noch jenseits der Routineprognose.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob Nichtlineare erweiterte MHD-Läufe eines Ausbruchs auf einer großen Zuteilung.Seit: 2002 Das Peeling-Ballooning-Modell von Snyder und Kollegen für randlokalisierte Moden und das Pedestal. Quelle
Modellierung des gesamten Tokamak-Geräts
Heizungs-, Transport-, Gleichgewichts-, Rand- und Wandmodelle für eine ganze Fusionsanlage, zu einem integrierten Arbeitsablauf gekoppelt, der eine vollständige Entladung vorhersagt.
Frage, die sie beantwortet: Lässt sich eine vollständige Plasmaentladung vorhersagen, bevor die Maschine gebaut ist?
Lässt aus: Die meisten Module sind reduzierte Modelle, abgestimmt auf frühere Maschinen, sodass Vorhersagen für ein neues Regime große Unsicherheit tragen.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob gekoppelte reduzierte und hochgenaue Module, für eine vollständige Entladung ausgeführt.Seit: 2015 Imbeaux und Kollegen, integrierte Modellierungs- und Analysesuite für ITER, die ersten Anwendungen eines Standarddatenmodells, das solche Module verbindet. Quelle
Simulation stoßfreier Schocks
Stoßwellen in Weltraumplasma, in dem Teilchen nie zusammenstoßen, wobei Ionen einzeln und Elektronen als Fluid verfolgt werden, sodass sich die Stoßfront allein aus den Feldern bildet.
Frage, die sie beantwortet: Wie werden Ionen an einem Schock beschleunigt, an dem nichts zusammenstößt?
Lässt aus: Elektronen werden als Fluid behandelt, und die Box ist ein winziger Ausschnitt eines Schocks, sodass großräumige Struktur fehlt.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob Große hybride kinetische Läufe in zwei oder drei Dimensionen.Seit: 1985 Quests Hybridsimulationen kollisionsfreier senkrechter Schocks mit hoher Machzahl. Quelle
Simulation staubiger Plasmen und Yukawa-Systeme
Geladene Körner, in einem Plasma schwebend, modelliert als Teilchen, die sich über ein abgeschirmtes Potential abstoßen und zu Kristallen gefrieren oder zu Flüssigkeiten schmelzen.
Frage, die sie beantwortet: Bei welcher Kopplungsstärke kristallisiert eine Wolke geladener Körner?
Lässt aus: Das Potenzial mit abgeschirmter Abstoßung ersetzt das Plasma und ignoriert Kielwellen und Aufladung der Körner, die echte Staubwolken zeigen.
Läuft auf: etwa 1012 FLOPS grob Molekulardynamik von bis zu einer Million Körnern über lange Zeiten.Seit: 1994 Hamaguchi und Faroukis Thermodynamik stark gekoppelter Yukawa-Systeme aus Monte-Carlo-Simulation und Molekulardynamik. Quelle
Simulation eines Ein-Komponenten-Plasmas
Ladungen, eingebettet in einen gleichförmigen neutralisierenden Hintergrund, simuliert, um die Zustandsgleichung und Kristallisation der dichten Materie in Weißen Zwergen und Riesenplaneten zu finden.
Frage, die sie beantwortet: Bei welcher Dichte gefriert dichte Sternmaterie?
Lässt aus: Der gleichförmige Elektronenhintergrund steht für die echten, polarisierbaren Elektronen.
Läuft auf: etwa 1010 FLOPS grob Monte-Carlo-Rechnung mit Zehntausenden Ionen, nach modernen Maßstäben bescheiden.Seit: 1966 Brushs, Sahlins und Tellers Monte-Carlo-Studie eines Einkomponentenplasmas. Quelle
Gelernte Plasmasteuerung in der Simulation
Ein Reinforcement-Learning-Regler übt, ein Tokamak-Plasma zu formen und zu halten, indem er in einer schnellen Simulation seines Gleichgewichts und seiner Entwicklung die Magnetspulen ansteuert; danach läuft er am echten Gerät.
Frage, die sie beantwortet: Kann ein Regler, der ganz in der Simulation gelernt wurde, ein heißes Plasma in einer geforderten Form halten?
Lässt aus: Das Trainingsmodell lässt Turbulenz und schnelle Instabilitäten aus, deshalb vertraut man dem Regler nur innerhalb der Bedingungen, die es erfasst.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob Tage Training auf einigen Hundert Beschleunigern, wobei das Plasmamodell Millionen Mal läuft.Seit: 2022 Degrave und Kollegen, ein tiefer Reinforcement-Learning-Regler, in der Simulation trainiert und an einem Tokamak betrieben. Quelle
Quanten-Vielteilchensysteme
Viele wechselwirkende Elektronen oder Spins auf einem Gitter, behandelt mit Tensornetzwerken und Quanten-Monte-Carlo, weil sich der exakte Zustand unmöglich speichern lässt.
Frage, die sie beantwortet: Warum sind manche Materialien supraleitend, und könnte eines das bei Raumtemperatur?
Lässt aus: Tensornetze und Quanten-Monte-Carlo scheitern beide an einigen der interessantesten frustrierten oder fermionischen Systeme.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob ein großer Cluster oder eine Supercomputer-Partition, Tage pro Material.Seit: 1980 Ceperleys und Alders erstes genaues Quanten-Monte-Carlo des Elektronengases.
Emulation von Quantencomputern
Ein klassischer Computer speichert den vollständigen Quantenzustand eines Registers aus Qubits und wendet Gatter darauf an. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich der Speicherbedarf.
Frage, die sie beantwortet: Funktioniert dieser Quantenalgorithmus, bevor jemand die Hardware baut, auf der er laufen soll?
Lässt aus: Der nötige Speicher verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Qubit, deshalb kann er nur die kleinen Fälle ohne Quantenvorteil emulieren.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein speicherintensiver Cluster-Knoten; der Aufwand verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Qubit.Seit: 1996 frühe klassische Simulatoren kleiner Quantenschaltkreise.
Analoge Quantensimulation
Ein steuerbares Quantensystem, etwa ultrakalte Atome in einem Gitter aus Laserlicht, so eingestellt, dass es sich wie ein anderes verhält, das zu schwer zu berechnen ist.
Frage, die sie beantwortet: Wenn ein klassischer Computer das Modell nicht lösen kann, lässt sich dann ein steuerbares physikalisches System dazu bringen, es stattdessen zu lösen?
Lässt aus: Sagt nur etwas über das eine Modell, das es nachbilden soll, nicht unbedingt über das echte Material, das den Anstoß gab.
Läuft auf: keinem Computer. die Atome selbst rechnen; ein Steuerrechner zeichnet nur die Ergebnisse auf.Seit: 2002 Der Übergang von Greiner und Kollegen von der Suprafluidität zum Mott-Isolator bei ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter, später als frühe analoge Quantensimulation gedeutet QuelleIm Simulationen-Baum: Kaltatom-Quantensimulator
Quantenfehlerkorrektur
Die Qubits eines Quantencomputers und das Rauschen, das sie verfälscht, geprüft an einem Code, der Fehler erkennen und beheben soll, bevor sie sich ausbreiten.
Frage, die sie beantwortet: Schützt dieser fehlerkorrigierende Code die Berechnung tatsächlich, bei realistischem Rauschen?
Lässt aus: Echtes Rauschen ist korreliert und driftet im Lauf der Zeit auf Weisen, die idealisierte Modelle selten erfassen.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob ein speicherintensiver Cluster-Knoten; größere Codes brauchen weit mehr Aufwand.Seit: 1996 frühe Simulationen, die die ersten vorgeschlagenen fehlerkorrigierenden Codes testeten.
Topologische Quantenmaterie
Elektronen auf einem Gitter, so angeordnet, dass ihr kollektiver Zustand von der Gesamtform statt von lokalen Details abhängt, berechnet, um Quanten-Hall-Zustände und andere topologische Phasen zu finden.
Frage, die sie beantwortet: Beherbergt dieses Material eine Materiephase, die durch ihre Topologie statt durch ihre Symmetrie geschützt ist?
Lässt aus: Einen echten topologischen Zustand von einem sehr ähnlichen gewöhnlichen zu unterscheiden, kann an einer numerischen Genauigkeit hängen, die die meisten Läufe nicht ganz erreichen.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob ein großer Cluster oder eine Supercomputer-Partition, Tage pro Kandidatensystem.Seit: 1988 frühe numerische Studien nach der theoretischen Entdeckung der topologischen Ordnung.
Dynamik ultrakalter Atomgase
Eine Wolke aus Atomen, die so weit abgekühlt wird, dass sie eine gemeinsame Quantenwellenfunktion teilen; sie wird mit der Mean-Field-Gleichung berechnet, die ein Bose-Einstein-Kondensat beschreibt.
Frage, die sie beantwortet: Wie schwingt das Kondensat, spaltet sich oder bildet Wirbel, wenn man es stört?
Lässt aus: Die Mean-Field-Gleichung übersieht die Korrelationen einzelner Atome, die nahe an einem Phasenübergang zählen.
Läuft auf: etwa 1013 FLOPS grob eine Workstation; Minuten bis Stunden pro gefangener Wolke.Seit: 1995 Modellierung rund um die ersten Bose-Einstein-Kondensate im Labor.
Digitale Quantensimulation auf Hardware
Ein Quantencomputer aus steuerbaren Qubits führt eine Folge von Gattern aus, die die Entwicklung eines anderen solchen Systems nachahmt.
Frage, die sie beantwortet: Kann ein programmierbares Quantengerät die Dynamik eines Modells nachbilden, das für klassischen Speicher zu groß ist?
Lässt aus: Rauschen begrenzt die Tiefe, und die Trotter-Näherung bringt einen eigenen Fehler mit.
Läuft auf: keinem Computer. Quantenhardware, nicht klassische FLOPS; Überprüfung auf herkömmlichen Maschinen nur bei kleiner GrößeSeit: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) Quelle
Gittereichtheorie auf Quantenhardware
Ein Quantencomputer mit wenigen Qubits entwickelt eine Gittereichtheorie in Echtzeit, eine Aufgabe, die für klassisches Monte Carlo wegen des Vorzeichenproblems schwer ist.
Frage, die sie beantwortet: Lässt sich die Echtzeitdynamik einer Eichtheorie auf einem Quantencomputer ausführen?
Lässt aus: Bisher nur eine Raumdimension und eine Handvoll Gitterplätze.
Läuft auf: keinem Computer. Kleine Qubit-Zahlen; der klassische Aufwand der Gegenprüfung wächst exponentiellSeit: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) Quelle
Quantenzustände aus neuronalen Netzen
Ein neuronales Netz stellt die Wellenfunktion eines Vielteilchensystems dar, und seine Parameter werden mit variationalem Monte Carlo eingestellt, um Grundzustände und Dynamik zu finden.
Frage, die sie beantwortet: Kann ein neuronales Netz einen Quantenzustand, der zu groß ist, um exakt gespeichert zu werden, kompakt kodieren?
Lässt aus: Die Genauigkeit hängt vom Netzentwurf ab, und die Optimierung kann in schlechten Minima stecken bleiben.
Läuft auf: etwa 1016 FLOPS grob Training mit variationellem Monte Carlo auf BeschleunigernSeit: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) Quelle
Dynamik supraleitender Wirbel
Die Magnetflussschläuche, die einen Typ-II-Supraleiter durchziehen, werden verfolgt, während sie sich bewegen, an Defekten haften und Energie abgeben, mit einer zeitabhängigen Feldtheorie für den supraleitenden Zustand.
Frage, die sie beantwortet: Wie bewegen sich magnetische Wirbel in einem Supraleiter und bleiben dort hängen?
Lässt aus: Die phänomenologische Feldtheorie ignoriert das mikroskopische Verhalten der Elektronen und gilt nur nahe der Übergangstemperatur.
Läuft auf: etwa 1014 FLOPS grob dreidimensionale zeitabhängige Ginzburg-Landau-Läufe auf einem Cluster.Seit: 1996 Gropp und Kollegen, numerische Simulation der Wirbeldynamik in Typ-II-Supraleitern. Quelle
Pfadintegral-Monte-Carlo von Quantenflüssigkeiten
Jedes Quantenteilchen wird als Ring verbundener Kopien dargestellt und bei endlicher Temperatur abgetastet, um suprafluides Helium und andere bosonische Flüssigkeiten allein aus der Wechselwirkung zu berechnen.
Frage, die sie beantwortet: Warum fließt flüssiges Helium unterhalb von zwei Kelvin ohne Reibung?
Lässt aus: Fermionen leiden unter dem Vorzeichenproblem, sodass Elektronen und Helium-3 Näherungen brauchen, die unkontrollierten Fehler einführen.
Läuft auf: etwa 1014 FLOPS grob Milliarden Pfadproben für eine Volumenflüssigkeit.Seit: 1984 Pollock und Ceperleys Pfadintegral-Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen und suprafluidem Helium. Quelle
Simulation von Stabilizer-Schaltkreisen
Ein klassischer Computer verfolgt einen Quantenschaltkreis, der nur aus Clifford-Gattern besteht, indem er nachvollzieht, wie sich eine kleine Tabelle von Pauli-Operatoren verändert, statt den ganzen Zustand zu speichern. So lassen sich Fehlerkorrekturschaltkreise mit Tausenden Qubits ausführen.
Frage, die sie beantwortet: Wie oft versagt ein Fehlerkorrekturcode, wenn jedes Gatter, jede Messung und jeder Leerlaufschritt verrauscht ist?
Lässt aus: Nur Schaltkreise aus Clifford-Operationen und Pauli-Messungen lassen sich so verfolgen, sodass universelles Quantenrechnen außer Reichweite ist.
Läuft auf: etwa 1012 FLOPS grob Millionen verrauschter Schüsse eines großen Code-Ausschnitts auf einem Workstation-Cluster.Seit: 2004 Der verbesserte Algorithmus von Aaronson und Gottesman, um Stabilisatorschaltkreise in polynomieller Zeit zu simulieren. Quelle
Gelernte Dekodierer zur Fehlerkorrektur
Ein neuronales Netz wird an simulierten Fehlermustern eines Quantencodes trainiert, um die gemessenen Syndrome zu lesen und zu erschließen, welche Korrektur anzuwenden ist.
Frage, die sie beantwortet: Kann ein gelernter Dekodierer Fehler in einem Quantenspeicher schneller oder genauer beheben als ein von Hand entworfener Algorithmus?
Lässt aus: Der Decoder kennt nur das Rauschmodell, mit dem er trainiert wurde, und echte Hardware driftet und hat korrelierte Fehler, die die Simulation nicht enthielt.
Läuft auf: etwa 1015 FLOPS grob Training an Milliarden simulierter Syndrome auf GPU-Knoten.Seit: 2016 Der neuronale Decoder für topologische Codes von Torlai und Melko (arXiv 2016, veröffentlicht 2017). Quelle
Simulation von Quantennetzwerken
Knoten mit Qubits, verschränkte Verbindungen und verrauschte Photonenkanäle, modelliert als diskrete Ereignisse in der Zeit, damit sich Protokolle zum Teilen von Verschränkung über ein Netzwerk testen lassen.
Frage, die sie beantwortet: Wie schnell und mit welcher Qualität könnten zwei ferne Knoten über Repeater und verlustbehaftete Glasfaser Verschränkung teilen?
Lässt aus: Hardwarerauschen wird auf wenige parametrisierte Modelle reduziert, und es gibt kein Netzwerk in großem Maßstab, an dem sich die vorhergesagten Raten überprüfen ließen.
Läuft auf: etwa 1011 FLOPS grob Viele lange Läufe eines Netzwerkprotokolls auf einem einzigen Server.Seit: 2021 Coopmans und Kollegen, NetSquid, ein ereignisdiskreter Simulator für Quantennetzwerke. Quelle