Física fundamental
Quarks, núcleos, plasmas y materia cuántica: los sistemas más pequeños que se simulan, y entre los más costosos en cálculo.
El cimiento de la jerarquía. Estas simulaciones parten de la teoría fundamental, el Modelo Estándar y la mecánica cuántica, y calculan sus consecuencias. Son las que más se acercan a generar fenómenos físicos desde primeros principios. También explican por qué los niveles de materia más finos del Sandbox exigen tanta computación.
QCD en retículo
Quarks y gluones en una malla tetradimensional de puntos del espacio-tiempo, usados para calcular las masas y las propiedades de los protones, los neutrones y otros hadrones solo a partir de la fuerza fuerte.
Pregunta que responde: ¿Cuál es la masa de un protón, partiendo de nada más que la teoría?
Deja fuera: El espaciado de la malla y el tamaño de la caja son compromisos. Los resultados se extrapolan hacia el continuo y el volumen infinito, pero nunca los alcanzan.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado una asignación de una supercomputadora nacional, semanas de una partición grande.Desde: 1979 El estudio de Monte Carlo de Creutz de la teoría de gauge SU(2) pura en retícula, sin quarks; los quarks llegaron después fuenteEn el árbol de Simulaciones: Monte Carlo en retículo para campos gauge
Generación de eventos de colisionadores
Cada colisión protón-protón en un acelerador, desde la dispersión dura pasando por las lluvias de partones hasta el chorro de hadrones que llega al detector.
Pregunta que responde: ¿Cómo se verían los datos si una nueva partícula propuesta fuera real?
Deja fuera: Aproxima la interferencia cuántica entre todos los procesos que contribuyen conservando solo los dominantes, con parámetros ajustados para coincidir con datos pasados.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster de computación en malla que procesa miles de millones de colisiones simuladas.Desde: 1982 los primeros generadores informatizados de eventos con lluvias de partones para la física de colisionadores.
Respuesta del detector
Cada partícula que sale de una colisión, avanzada por capas de silicio, calorímetro e imán, depositando energía a su paso.
Pregunta que responde: ¿Qué señales reales pasará por alto el detector, y cuáles falsificará?
Deja fuera: Supone que la geometría y la calibración del detector son exactamente las diseñadas, cuando los cables que envejecen y el daño por radiación las degradan progresivamente.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario o de computación en malla, millones de horas de CPU al año.Desde: 1974 El primer código general de transporte de partículas del CERN para el diseño de detectores.
Lluvias de rayos cósmicos en el aire
Una sola partícula muy energética del espacio que golpea la atmósfera superior y se ramifica en miles de millones de secundarias al bajar.
Pregunta que responde: ¿Qué tipo de partícula, desde qué distancia, produjo el patrón que vieron nuestros detectores en tierra?
Deja fuera: Depende de modelos de colisión extrapolados mucho más allá de cualquier energía que haya probado un acelerador.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado un clúster pequeño o una estación de trabajo potente, horas por conjunto de lluvias de partículas.Desde: 1961 los primeros modelos de Monte Carlo de cascadas de partículas de rayos cósmicos.
Dinámica de haces en aceleradores
Paquetes de partículas cargadas que giran por imanes durante millones de vueltas, empujadas por los campos y por las demás partículas.
Pregunta que responde: ¿Se mantiene el haz fuertemente enfocado, o diverge poco a poco y golpea las paredes?
Deja fuera: Idealiza los imanes como si estuvieran construidos según las especificaciones, cuando los reales tienen pequeños errores de fabricación que importan a lo largo de millones de vueltas.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo de escritorio o un clúster pequeño, minutos por diseño de retícula.Desde: 1959 los primeros estudios de seguimiento por computadora para los primeros sincrotrones de enfoque fuerte.
Simulación de detectores de neutrinos
Luz o carga de un neutrino que interactúa en lo profundo de un tanque de agua, hielo o líquido, seguidas a través del detector para saber cómo se ve un evento real.
Pregunta que responde: ¿Qué señal dejaría este tipo de neutrino, y podemos distinguirla del fondo?
Deja fuera: Los cables, las burbujas y la roca suprayacente de un detector real añaden un ruido que ninguna simulación anticipa por completo.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario o de una colaboración, semanas por diseño de detector.Desde: 1987 simulaciones de detectores construidas para interpretar el estallido de neutrinos de la supernova de 1987.
Modelos generativos de lluvias de partículas en calorímetros
Una red neuronal entrenada con ejecuciones completas de transporte de partículas que produce los depósitos de energía de una lluvia de partículas en un detector a una pequeña fracción del costo.
Pregunta que responde: ¿Puede un generador entrenado sustituir la parte más lenta de la simulación de un detector?
Deja fuera: Reproduce las estadísticas de las ejecuciones de entrenamiento, no una física nueva, y se desvía fuera de las energías que ha visto.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado Entrenamiento con millones de lluvias de partículas completas, y luego muestreo baratoDesde: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) fuente
Muestreo basado en flujos para la teoría de campos en retícula
Un flujo normalizador entrenado propone configuraciones completas de un campo en una retícula, que luego se corrigen con un paso exacto de aceptación o rechazo para que el resultado siga sin sesgo.
Pregunta que responde: ¿Pueden los muestreadores aprendidos vencer la ralentización crítica del Monte Carlo ordinario en retícula?
Deja fuera: Demostrado sobre todo en teorías de juguete de baja dimensión; el costo del entrenamiento crece deprisa con el volumen de la retícula.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado Entrenamiento más grandes conjuntos de redesDesde: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) fuente
Estructura nuclear
Protones y neutrones ligados en un núcleo, calculados a partir de las fuerzas entre ellos.
Pregunta que responde: ¿Qué isótopos pueden existir siquiera, y qué formas adoptan?
Deja fuera: La fuerza entre nucleones aún no se conoce con exactitud, así que cada núcleo se calcula a partir de una aproximación.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario, días para un núcleo pesado.Desde: 1965 los primeros cálculos de diagonalización del modelo de capas en un mainframe.
Física del núcleo de un reactor
Neutrones que nacen, se dispersan, se absorben y dividen núcleos dentro de un reactor de potencia, acoplados al calor y al flujo del refrigerante.
Pregunta que responde: ¿Se mantiene estable la reacción en cadena a medida que se consume el combustible?
Deja fuera: No puede captar del todo cada grieta, soldadura y vía de flujo de un reactor real envejecido.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario o de la industria, horas por ciclo de núcleo.Desde: 1948 Las primeras ejecuciones Monte Carlo de neutrones de Ulam, von Neumann y Metropolis en el ENIAC.
Transporte de radiación
Partículas que atraviesan la materia, una interacción cada vez: haces de radioterapia en un paciente, rayos cósmicos en el casco de una nave.
Pregunta que responde: ¿Cuánta dosis llega al tumor, y cuánta a todo lo que lo rodea?
Deja fuera: Trata el cuerpo o el casco como una geometría fija y omite su movimiento durante la exposición, como la respiración.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo de física hospitalaria o un clúster pequeño, minutos por plan.Desde: 1968 los primeros cálculos de dosis de Monte Carlo propuestos para la planificación de la radioterapia.
Seguridad de criticidad nuclear
Transporte Monte Carlo de neutrones a través de material fisionable almacenado o manipulado, para comprobar que no pueda empezar una reacción en cadena accidental.
Pregunta que responde: ¿Podría esta disposición de material fisible alcanzar la criticidad por accidente?
Deja fuera: Supone que la geometría y el material consignados en la declaración coinciden con lo que hay en realidad, así que el resultado es tan fiable como la documentación.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo de escritorio; de minutos a horas por configuración.Desde: 1957 los primeros cálculos informatizados de criticidad después de que accidentes en tiempos de guerra impulsaran normas formales de seguridad.
Radiactivación y cadenas de desintegración
Materiales expuestos a neutrones o radiación que acumulan nuevos isótopos radiactivos y luego se desintegran en cadenas hacia la estabilidad.
Pregunta que responde: ¿Cuán radiactivo será este material, y durante cuánto tiempo, después de irradiarse?
Deja fuera: Los datos nucleares de isótopos raros y de vida corta son más irregulares que los de los comunes, así que las vías menores llevan más conjeturas.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado una laptop; un cálculo completo de la cadena de desintegración tarda segundos.Desde: 1962 los primeros códigos informáticos de activación y desintegración en materiales de reactores.
Neutrónica de la envoltura reproductora de fusión
Neutrones de una reacción de fusión que se frenan en la envoltura que la rodea, producen el combustible de tritio y depositan el calor que movería una turbina.
Pregunta que responde: ¿Produce la envoltura suficiente tritio para mantener el reactor alimentado?
Deja fuera: Modelado sobre un diseño que todavía no existe a escala completa, así que el comportamiento clave del material se extrapola.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado una estación de trabajo o un clúster pequeño, horas por variante de diseño.Desde: 1980 los primeros estudios de neutrónica para las envolturas propuestas de reactores de fusión.
Teoría de campos efectiva nuclear en red
Protones y neutrones colocados en una red de espacio-tiempo que interactúan mediante una teoría efectiva quiral, resuelta por Monte Carlo para dar la estructura nuclear.
Pregunta que responde: ¿Se pueden calcular a partir de las fuerzas entre nucleones los estados excitados de núcleos ligeros, como el estado de Hoyle del carbono 12?
Deja fuera: Limitada a núcleos ligeros y medianos; los problemas de signo restringen los sistemas a los que se puede llegar.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado Grandes ejecuciones Monte Carlo en máquinas de clase de liderazgoDesde: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) fuente
Dinámica nuclear de campo medio dependiente del tiempo
Núcleos que chocan y se fisionan, seguidos en tiempo real, con cada nucleón moviéndose en el campo medio de todos los demás mientras evoluciona.
Pregunta que responde: ¿Qué les pasa a dos núcleos cuando se tocan, se fusionan o rebotan?
Deja fuera: Un campo medio no puede describir el efecto túnel cuántico entre resultados distintos ni las fluctuaciones que reparten los rendimientos de la fisión.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado ejecuciones tridimensionales dependientes del tiempo de tipo Skyrme en un clúster.Desde: 1976 El cálculo unidimensional de Hartree-Fock dependiente del tiempo de Bonche, Koonin y Negele para colisiones nucleares. fuente
Dinámica de la pasta en la corteza de las estrellas de neutrones
La capa más profunda de la corteza de una estrella de neutrones, donde los neutrones y los protones forman varillas y láminas, seguida con dinámica molecular para hallar su rigidez y cómo dispersa los neutrinos.
Pregunta que responde: ¿Qué formas toma la materia en la base de la corteza de una estrella de neutrones?
Deja fuera: La interacción entre nucleones es un potencial ajustado simple y la caja es mucho más pequeña que una corteza real.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado dinámica molecular de decenas de miles de nucleones, repetida con distintas densidades.Desde: 2004 La dinámica molecular de materia no uniforme rica en neutrones y su opacidad a los neutrinos, de Horowitz, Perez-Garcia y Piekarewicz. fuente
Turbulencia del plasma de fusión
Un plasma de hidrógeno más caliente que el núcleo del Sol, confinado por un campo magnético, junto con el transporte turbulento que provoca la pérdida de calor.
Pregunta que responde: ¿Qué tamaño necesita tener la máquina para producir más energía de la que consume?
Deja fuera: La turbulencia completa a escala de reactor sigue siendo demasiado costosa, así que la mayoría de las ejecuciones simulan una rebanada y extrapolan.
Se ejecuta en: unos 1017 FLOPS aproximado una supercomputadora nacional, una asignación grande durante semanas.Desde: 1983 los primeros códigos de turbulencia girocinética para plasmas de tokamak.
Plasma con partículas en celda
Millones de macropartículas cargadas que se mueven por campos eléctricos y magnéticos guardados en una malla, usadas para láseres que inciden en plasma y para la aceleración por estela.
Pregunta que responde: ¿Puede una onda de plasma acelerar electrones en centímetros en lugar de kilómetros?
Deja fuera: Cada partícula simulada representa a muchas reales, lo que difumina el grano fino de un plasma real.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster grande de GPU, días para una ejecución completa de estela de plasma.Desde: 1959 Las primeras ejecuciones de plasma electrostático de partículas en celdas de Buneman y Dawson.
Equilibrio y estabilidad del plasma
La forma completa de un plasma confinado magnéticamente, comprobada frente a la presión y la corriente que puede sostener antes de torcerse, desgarrarse o romperse.
Pregunta que responde: ¿Mantendrá su forma esta configuración de plasma, o colapsará?
Deja fuera: Las disrupciones reales suelen empezar por pequeñas imperfecciones e impurezas que un equilibrio idealizado no incluye.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario, horas por barrido de equilibrio.Desde: 1958 los primeros equilibrios calculados para los primeros dispositivos de confinamiento magnético.
Implosión por confinamiento inercial
Una pequeña cápsula de combustible empujada hacia dentro por una radiación intensa hasta que está lo bastante caliente y densa para fusionarse, modelada como radiación, hidrodinámica y plasma en combustión a la vez.
Pregunta que responde: ¿Se comprimirá el combustible con la uniformidad suficiente para encenderse antes de destruirse a sí mismo?
Deja fuera: Pequeñas asimetrías en el impulso siembran inestabilidades que rompen la simetría esférica que suponen las ejecuciones más simples.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster grande o una partición de supercomputadora, días por diseño.Desde: 1972 las primeras simulaciones de radiación e hidrodinámica de cápsulas de combustible impulsadas por láser.
Reconexión magnética
Líneas de campo magnético en un plasma que se rompen y se vuelven a unir, y convierten la energía almacenada del campo en calor y partículas rápidas.
Pregunta que responde: ¿Con qué rapidez pueden romperse y reconectarse en realidad las líneas del campo magnético?
Deja fuera: El proceso real abarca escalas desde las órbitas de los electrones hasta sistemas estelares enteros que ninguna ejecución cubre a la vez.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un clúster universitario, días para un evento de reconexión.Desde: 1963 los primeros modelos calculados de reconexión de líneas de campo siguiendo la teoría de Sweet y Parker.
Procesamiento industrial con plasma
Iones y especies reactivas en un plasma de baja temperatura que golpean y graban una superficie, usados para dar forma a los materiales con precisión microscópica.
Pregunta que responde: ¿Grabará o recubrirá el plasma la superficie de manera uniforme?
Deja fuera: La química de superficie en la pared sigue estando simplificada muy por debajo del detalle de una cámara contaminada real.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo o un clúster pequeño, horas por receta de proceso.Desde: 1985 los primeros modelos por computadora del grabado por plasma para el procesamiento de superficies.
Aceleración por estela de campo láser
Ejecuciones de partículas en celda de un pulso láser intenso que impulsa una onda de plasma que atrapa y acelera electrones a lo largo de milímetros.
Pregunta que responde: ¿Cómo puede una onda de plasma acelerar electrones a alta energía en una distancia muy corta?
Deja fuera: La ionización, la reacción de la radiación y las imperfecciones entre láser y blanco suelen idealizarse.
Se ejecuta en: unos 1018 FLOPS aproximado partículas en celda 3D, miles de millones de partículas durante muchos periodos de ondaDesde: 2002 Simulaciones del régimen altamente no lineal de olas rotas (burbujas) (2002) fuente
Optimización de la configuración de estelaradores
La forma de una botella magnética retorcida para plasma de fusión, ajustada por computadora hasta que las órbitas de las partículas quedan confinadas y el equilibrio es estable sin corriente impulsada.
Pregunta que responde: ¿Qué forma magnética tridimensional atrapa mejor un plasma caliente?
Deja fuera: Las formas optimizadas se juzgan con equilibrios idealizados; la turbulencia y las tolerancias de las bobinas vienen después y a menudo estropean el resultado.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado miles de cálculos de equilibrio y de órbitas dentro de un bucle de optimización.Desde: 1988 Los estelaratores casi helicoidalmente simétricos calculados por Nuhrenberg y Zille. fuente
Modelado del pedestal del borde del tokamak y de los ELM
La capa de borde abrupto en el límite de un plasma de tokamak y las ráfagas periódicas que lanzan calor contra la pared, calculadas a partir de la estabilidad magnetohidrodinámica del borde.
Pregunta que responde: ¿Hasta qué punto puede subir la presión del borde antes de que el plasma entre en erupción?
Deja fuera: Los umbrales de estabilidad se predicen bien, pero la explosión no lineal completa, con su física cinética y de pared, sigue fuera del alcance del pronóstico habitual.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado ejecuciones no lineales de MHD extendida de un solo estallido con una gran asignación de recursos.Desde: 2002 Modelo de peeling-ballooning de Snyder y colegas para los modos localizados en el borde y el pedestal. fuente
Modelado del dispositivo tokamak completo
Modelos de calentamiento, transporte, equilibrio, borde y pared de todo un dispositivo de fusión, acoplados en un flujo de trabajo integrado que predice una descarga completa.
Pregunta que responde: ¿Se puede predecir una descarga completa de plasma antes de construir la máquina?
Deja fuera: La mayoría de los módulos son modelos reducidos ajustados a máquinas pasadas, así que las predicciones para un régimen nuevo tienen una amplia incertidumbre.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado módulos acoplados reducidos y de alta fidelidad ejecutados durante una descarga completa.Desde: 2015 Imbeaux y sus colegas, conjunto integrado de modelado y análisis para ITER, las primeras aplicaciones de un modelo de datos estándar que enlaza esos módulos. fuente
Simulación de choques sin colisiones
Ondas de choque en el plasma espacial donde las partículas nunca chocan, con los iones seguidos de uno en uno y los electrones como un fluido, de modo que el frente de choque se forma solo a partir de los campos.
Pregunta que responde: ¿Cómo se aceleran los iones en un choque donde nada colisiona?
Deja fuera: Los electrones se tratan como un fluido y la caja es un diminuto trozo de un choque, así que falta la estructura a gran escala.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado grandes ejecuciones cinéticas híbridas en dos o tres dimensiones.Desde: 1985 Las simulaciones híbridas de choques perpendiculares sin colisiones de alto número de Mach, de Quest. fuente
Simulación de plasmas con polvo y de sistemas de Yukawa
Granos cargados suspendidos en un plasma, modelados como partículas que se repelen mediante un potencial apantallado y que se congelan en cristales o se funden en líquidos.
Pregunta que responde: ¿Con qué intensidad de acoplamiento cristaliza una nube de granos cargados?
Deja fuera: El potencial de repulsión apantallada reemplaza al plasma e ignora las estelas y la carga de los granos que muestran las nubes de polvo reales.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado dinámica molecular de hasta un millón de granos durante tiempos largos.Desde: 1994 La termodinámica de sistemas de Yukawa fuertemente acoplados a partir de Monte Carlo y dinámica molecular, de Hamaguchi y Farouki. fuente
Simulación de plasma de un solo componente
Cargas inmersas en un fondo neutralizante uniforme, simuladas para hallar la ecuación de estado y la cristalización de la materia densa del interior de las enanas blancas y los planetas gigantes.
Pregunta que responde: ¿A qué densidad se congela la materia estelar densa?
Deja fuera: El fondo uniforme de electrones sustituye a los electrones reales, que son polarizables.
Se ejecuta en: unos 1010 FLOPS aproximado Monte Carlo de decenas de miles de iones, modesto para los estándares actuales.Desde: 1966 El estudio de Monte Carlo de un plasma de un componente de Brush, Sahlin y Teller. fuente
Control aprendido de plasma en simulación
Un controlador de aprendizaje por refuerzo practica cómo dar forma a un plasma de tokamak y mantenerlo, ordenando las bobinas magnéticas en una simulación rápida de su equilibrio y su evolución, y después se usa en el dispositivo real.
Pregunta que responde: ¿Puede un controlador aprendido por completo en simulación mantener un plasma caliente con una forma solicitada?
Deja fuera: El modelo de entrenamiento deja fuera la turbulencia y las inestabilidades rápidas, así que el controlador solo es fiable dentro de las condiciones que capta.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado días de entrenamiento en unos cientos de aceleradores, ejecutando el modelo de plasma millones de veces.Desde: 2022 El controlador de aprendizaje profundo por refuerzo de Degrave y sus colegas, entrenado en simulación y ejecutado en un tokamak. fuente
Sistemas cuánticos de muchos cuerpos
Muchos electrones o espines que interactúan en una red, tratados con redes de tensores y Monte Carlo cuántico porque el estado exacto es demasiado grande para almacenarlo.
Pregunta que responde: ¿Por qué algunos materiales son superconductores, y podría serlo uno a temperatura ambiente?
Deja fuera: Las redes tensoriales y el Monte Carlo cuántico fallan ambos en algunos de los sistemas frustrados o fermiónicos más interesantes.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster grande o una partición de supercomputadora, días por material.Desde: 1980 El primer Monte Carlo cuántico preciso del gas de electrones, de Ceperley y Alder.
Emulación de computadoras cuánticas
Una computadora clásica que guarda el estado cuántico completo de un registro de cúbits y le aplica puertas. La memoria se duplica con cada cúbit que se añade.
Pregunta que responde: ¿Funciona este algoritmo cuántico antes de que nadie construya el hardware para ejecutarlo?
Deja fuera: La memoria necesaria se duplica con cada cúbit adicional, así que solo puede emular los casos pequeños, sin ventaja cuántica.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un nodo de clúster con mucha memoria; el costo se duplica con cada cúbit adicional.Desde: 1996 los primeros simuladores clásicos de pequeños circuitos cuánticos.
Simulación cuántica analógica
Un sistema cuántico controlable, como átomos ultrafríos en una red de luz láser, ajustado para comportarse como otro demasiado difícil de calcular.
Pregunta que responde: Si una computadora clásica no puede resolver el modelo, ¿se puede conseguir que lo resuelva un sistema físico controlable?
Deja fuera: Solo informa sobre el único modelo que se construyó para emular, y no necesariamente sobre el material real que lo motivó.
Se ejecuta en: ninguna computadora. los propios átomos computan; una computadora de control solo registra los resultados.Desde: 2002 La transición de superfluido a aislante de Mott de átomos ultrafríos en una red óptica, de Greiner y sus colegas, que más tarde se leyó como una de las primeras simulaciones cuánticas analógicas fuenteEn el árbol de Simulaciones: Simulador cuántico de átomos fríos
Corrección de errores cuánticos
Los cúbits de una computadora cuántica y el ruido que los corrompe, comprobados con un código diseñado para detectar y corregir errores antes de que se propaguen.
Pregunta que responde: ¿Protege este código de corrección de errores el cálculo de verdad, con un ruido realista?
Deja fuera: El ruido real está correlacionado y se desvía con el tiempo de maneras que los modelos idealizados rara vez captan.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado un nodo de clúster con mucha memoria; los códigos más grandes cuestan mucho más.Desde: 1996 las primeras simulaciones que probaban los primeros códigos de corrección de errores propuestos.
Materia cuántica topológica
Electrones en una retícula dispuestos de modo que su estado colectivo depende de su forma global y no de los detalles locales, calculados para hallar estados de Hall cuántico y otras fases topológicas.
Pregunta que responde: ¿Alberga este material una fase de la materia protegida por su topología y no por su simetría?
Deja fuera: Distinguir un estado genuinamente topológico de uno corriente muy parecido puede depender de una precisión numérica que la mayoría de las ejecuciones no alcanza.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado un clúster grande o una partición de supercomputadora, días por sistema candidato.Desde: 1988 los primeros estudios numéricos tras el descubrimiento teórico del orden topológico.
Dinámica de gases atómicos ultrafríos
Una nube de átomos enfriada hasta que comparten una sola función de onda cuántica, evolucionada con la ecuación de campo medio que describe un condensado de Bose-Einstein.
Pregunta que responde: ¿Cómo oscila el condensado, se divide o forma vórtices cuando se lo perturba?
Deja fuera: La ecuación de campo medio pasa por alto las correlaciones entre átomos individuales que importan cerca de una transición de fase.
Se ejecuta en: unos 1013 FLOPS aproximado una estación de trabajo; de minutos a horas por nube atrapada.Desde: 1995 modelado construido en torno a los primeros condensados de Bose-Einstein de laboratorio.
Simulación cuántica digital en hardware
Una computadora cuántica construida con cúbits controlables ejecuta una secuencia de puertas que imita la evolución de otro sistema como ella.
Pregunta que responde: ¿Puede un dispositivo cuántico programable reproducir la dinámica de un modelo demasiado grande para la memoria clásica?
Deja fuera: El ruido limita la profundidad, y la aproximación de Trotter introduce su propio error.
Se ejecuta en: ninguna computadora. Hardware cuántico, no FLOPS clásicos; verificación en máquinas convencionales solo a tamaño pequeñoDesde: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) fuente
Teoría de calibre en red en hardware cuántico
Una computadora cuántica de pocos cúbits hace evolucionar una teoría de campos de gauge en retícula en tiempo real, una tarea difícil para el Monte Carlo clásico por el problema del signo.
Pregunta que responde: ¿Se puede ejecutar en una computadora cuántica la dinámica en tiempo real de una teoría de gauge?
Deja fuera: Solo una dimensión espacial y un puñado de sitios hasta ahora.
Se ejecuta en: ninguna computadora. Pocos cúbits; el costo clásico de verificar los resultados crece exponencialmenteDesde: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) fuente
Estados cuánticos con redes neuronales
Una red neuronal representa la función de onda de un sistema de muchos cuerpos, y sus parámetros se ajustan con Monte Carlo variacional para hallar estados fundamentales y dinámicas.
Pregunta que responde: ¿Puede una red neuronal codificar de forma compacta un estado cuántico demasiado grande para guardarlo con exactitud?
Deja fuera: La precisión depende del diseño de la red, y la optimización puede quedarse atascada en mínimos malos.
Se ejecuta en: unos 1016 FLOPS aproximado Entrenamiento con Monte Carlo variacional en aceleradoresDesde: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) fuente
Dinámica de vórtices superconductores
Los tubos de flujo magnético que atraviesan un superconductor de tipo II, seguidos mientras se mueven, se anclan en defectos y disipan energía, con una teoría de campos dependiente del tiempo para el estado superconductor.
Pregunta que responde: ¿Cómo se mueven y se atascan los vórtices magnéticos dentro de un superconductor?
Deja fuera: La teoría de campos fenomenológica ignora el comportamiento microscópico de los electrones y solo vale cerca de la temperatura de transición.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado ejecuciones tridimensionales dependientes del tiempo de Ginzburg-Landau en un clúster.Desde: 1996 La simulación numérica de la dinámica de vórtices en superconductores de tipo II, de Gropp y sus colegas. fuente
Monte Carlo de integral de camino de fluidos cuánticos
Cada partícula cuántica se representa como un anillo de copias enlazadas, muestreado a temperatura finita para calcular el helio superfluido y otros líquidos bosónicos solo a partir de la interacción.
Pregunta que responde: ¿Por qué el helio líquido fluye sin fricción por debajo de dos kelvin?
Deja fuera: Los fermiones sufren el problema del signo, así que los electrones y el helio 3 necesitan aproximaciones que introducen un error incontrolado.
Se ejecuta en: unos 1014 FLOPS aproximado miles de millones de muestras de trayectorias para un líquido a granel.Desde: 1984 La simulación de integral de camino de sistemas cuánticos de muchos cuerpos y de helio superfluido, de Pollock y Ceperley. fuente
Simulación de circuitos estabilizadores
Una computadora clásica sigue un circuito cuántico construido solo con puertas de Clifford, siguiendo cómo cambia una pequeña tabla de operadores de Pauli, en lugar de guardar el estado completo. Así se pueden ejecutar circuitos de corrección de errores con miles de cúbits.
Pregunta que responde: ¿Con qué frecuencia falla un código de corrección de errores cuando cada puerta, medición y paso en reposo tiene ruido?
Deja fuera: Solo se pueden seguir de este modo los circuitos hechos de operaciones de Clifford y mediciones de Pauli, así que la computación cuántica universal queda fuera de alcance.
Se ejecuta en: unos 1012 FLOPS aproximado millones de repeticiones con ruido de un gran parche de código en un clúster de estaciones de trabajo.Desde: 2004 El algoritmo mejorado de Aaronson y Gottesman para simular circuitos estabilizadores en tiempo polinómico. fuente
Decodificadores aprendidos de corrección de errores
Una red neuronal se entrena con patrones de error simulados de un código cuántico para leer los síndromes medidos e inferir qué corrección aplicar.
Pregunta que responde: ¿Puede un decodificador aprendido corregir errores en una memoria cuántica más rápido o con más precisión que un algoritmo diseñado a mano?
Deja fuera: El decodificador solo conoce el modelo de ruido con el que se entrenó, y el hardware real se desvía y tiene errores correlacionados que la simulación no incluía.
Se ejecuta en: unos 1015 FLOPS aproximado entrenamiento con miles de millones de síndromes simulados en nodos con GPU.Desde: 2016 Torlai and Melko's neural decoder for topological codes (arXiv 2016, published 2017). fuente
Simulación de redes cuánticas
Nodos que contienen cúbits, enlaces entrelazados y canales ruidosos de fotones, modelados como eventos discretos en el tiempo, para poder probar protocolos que comparten entrelazamiento a lo largo de una red.
Pregunta que responde: ¿Con qué rapidez y con qué fidelidad podrían dos nodos lejanos compartir entrelazamiento a través de repetidores y fibra con pérdidas?
Deja fuera: El ruido del hardware se reduce a unos pocos modelos parametrizados, y no existe una red a gran escala con la que comprobar las tasas previstas.
Se ejecuta en: unos 1011 FLOPS aproximado muchas ejecuciones largas de un protocolo de red en un solo servidor.Desde: 2021 NetSquid de Coopmans y sus colegas, un simulador de eventos discretos para redes cuánticas. fuente