فیزیک بنیادی
کوارک‌ها، هسته‌ها، پلاسماها و مادهٔ کوانتومی: کوچک‌ترین سامانه‌های شبیه‌سازی‌شده، و از پرهزینه‌ترین از نظر محاسبات.
بنیاد این سلسله‌مراتب. این شبیه‌سازی‌ها از نظریهٔ بنیادین، مدل استاندارد و مکانیک کوانتومی شروع می‌کنند و پیامدهایش را محاسبه می‌کنند. نزدیک‌ترین‌ها به تولید پدیده‌های فیزیکی از اصول اولیه‌اند. همچنین توضیح می‌دهند چرا ریزترین کف‌های ماده در جعبه‌شن این‌قدر محاسبات می‌خواهند.
QCD شبکه‌ای
کوارک‌ها و گلوئون‌ها روی یک شبکهٔ چهاربعدی از نقاط فضازمان، که برای محاسبهٔ جرم و ویژگی‌های پروتون، نوترون و هادرون‌های دیگر فقط از نیروی قوی به کار می‌رود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: جرم یک پروتون چقدر است، اگر فقط از خود نظریه شروع کنیم؟
کنار می‌گذارد: فاصلهٔ شبکه و اندازهٔ جعبه سازش‌اند. نتیجه‌ها به‌سوی پیوستار و حجم نامتناهی برون‌یابی می‌شوند، اما هرگز به آن‌ها نمی‌رسند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1017 FLOPS تقریبی سهمیهٔ یک ابررایانهٔ ملی، چند هفته از یک بخش بزرگ.از: 1979 مطالعهٔ مونت‌کارلوی کروتس از نظریهٔ پیمانه‌ای شبکه‌ای SU(2) محض، بدون کوارک؛ کوارک‌ها بعداً وارد شدند منبعدر درخت شبیه‌سازی‌ها: مونت‌کارلوی پیمانهٔ شبکه‌ای
تولید رویداد برخورددهنده
هر برخورد پروتون-پروتون در شتاب‌دهنده، از پراکندگی سخت تا بارش پارتونی و پاشش هادرون‌هایی که به آشکارساز می‌رسد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: اگر ذرهٔ جدید پیشنهادی واقعی بود، داده‌ها چه شکلی می‌داشتند؟
کنار می‌گذارد: با نگه داشتن فقط فرایندهای غالب، تداخل کوانتومی میان همهٔ فرایندهای مشارکت‌کننده را تقریب می‌زند، با پارامترهایی که برای تطبیق با داده‌های گذشته تنظیم شده‌اند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی خوشهٔ محاسبات شبکه‌ای که میلیاردها برخورد شبیه‌سازی‌شده را پردازش می‌کند.از: 1982 نخستین مولدهای رویداد بارش پارتونی رایانه‌ای برای فیزیک برخورددهنده.
پاسخ آشکارساز
هر ذره‌ای که از برخورد بیرون می‌آید از لایه‌های سیلیکون، کالریمتر و آهنربا گذر داده می‌شود و در راه انرژی نهشته می‌کند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آشکارساز کدام سیگنال‌های واقعی را از دست می‌دهد، و کدام را جعل می‌کند؟
کنار می‌گذارد: فرض می‌کند هندسه و واسنجی آشکارساز دقیقاً همان است که طراحی شده، در حالی که کابل‌های فرسوده و آسیب تابشی به‌تدریج آن‌ها را بدتر می‌کنند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی یا محاسبات شبکه‌ای، میلیون‌ها ساعت‌پردازنده در سال.از: 1974 نخستین کد عمومی انتقال ذره در CERN برای طراحی آشکارساز.
بارش‌های هوایی پرتو کیهانی
یک ذرهٔ بسیار پرانرژی از فضا که به جو بالایی می‌خورد و در مسیر پایین به میلیاردها ذرهٔ ثانویه آبشار می‌شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه نوع ذره‌ای، از چه فاصله‌ای، الگویی را ساخته که آشکارسازهای زمینی ما دیدند؟
کنار می‌گذارد: به مدل‌های برخوردی تکیه دارد که بسیار فراتر از هر انرژی‌ای که شتاب‌دهنده آزموده برون‌یابی شده‌اند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1014 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ کوچک یا ایستگاه کاری قدرتمند، چند ساعت برای هر مجموعهٔ بهمن‌های ذره‌ای.از: 1961 نخستین مدل‌های مونت‌کارلوی آبشار ذرات پرتو کیهانی.
دینامیک باریکهٔ شتاب‌دهنده
دسته‌هایی از ذرات باردار که میلیون‌ها دور از میان آهنرباها می‌گردند و میدان‌ها و خودشان آن‌ها را می‌رانند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا باریکه به‌شدت کانونی می‌ماند، یا به‌تدریج واگرا می‌شود و به دیواره‌ها می‌خورد؟
کنار می‌گذارد: آهنرباها را مطابق مشخصات ساخته‌شده آرمانی می‌کند، در حالی که آهنرباهای واقعی خطاهای کوچک ساخت دارند که در میلیون‌ها دور مهم می‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1013 FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی یا خوشهٔ کوچک، چند دقیقه برای هر طرح شبکه‌ای.از: 1959 نخستین مطالعات ردیابی رایانه‌ای برای نخستین سینکروترون‌های کانونی‌کنندهٔ قوی.
شبیه‌سازی آشکارساز نوترینو
نور یا باری از برهم‌کنش یک نوترینو در اعماق یک مخزن آب، یخ یا مایع، که در آشکارساز دنبال می‌شود تا معلوم شود یک رویداد واقعی چه شکلی است.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: این نوع نوترینو چه سیگنالی به جا می‌گذارد، و آیا می‌توانیم آن را از پس‌زمینه تشخیص دهیم؟
کنار می‌گذارد: کابل‌ها، حباب‌ها و روبارهٔ سنگی یک آشکارساز واقعی نوفه‌ای می‌افزایند که هیچ شبیه‌سازی‌ای کاملاً پیش‌بینی‌اش نمی‌کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی خوشهٔ یک دانشگاه یا همکاری پژوهشی، چند هفته برای هر طرح آشکارساز.از: 1987 شبیه‌سازی‌های آشکارساز ساخته‌شده برای تفسیر انفجار نوترینوی ابرنواختر 1987.
مدل‌های مولد بارش کالریمتر
شبکهٔ عصبی‌ای که روی اجراهای کامل انتقال ذره آموزش دیده انرژی نهشته‌شدهٔ یک بهمن ذره‌ای را در آشکارساز با کسری ناچیز از هزینه می‌سازد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا مولد آموزش‌دیده می‌تواند جای کندترین بخش شبیه‌سازی آشکارساز را بگیرد؟
کنار می‌گذارد: آمار اجراهای آموزشی را بازتولید می‌کند، نه فیزیک تازه، و بیرون از انرژی‌هایی که دیده منحرف می‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی آموزش روی میلیون‌ها رویداد کامل بارش ذره‌ای، سپس نمونه‌برداری ارزاناز: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) منبع
نمونه‌گیری مبتنی بر شارش برای نظریهٔ میدان شبکه‌ای
یک شارش بهنجارکنندهٔ آموزش‌دیده کل پیکربندی‌های میدان را روی یک شبکه پیشنهاد می‌دهد و سپس با گام دقیق پذیرش یا رد تصحیح می‌شوند تا پاسخ بی‌اریب بماند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا نمونه‌گیرهای آموخته می‌توانند از کندشدگی بحرانی مونت‌کارلوی معمول شبکه‌ای بهتر عمل کنند؟
کنار می‌گذارد: بیشتر در نظریه‌های اسباب‌بازی کم‌بعد نشان داده شده؛ هزینهٔ آموزش با حجم شبکه تند رشد می‌کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1017 FLOPS تقریبی آموزش به‌علاوهٔ مجموعه‌های بزرگ شبکه‌ایاز: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) منبع
ساختار هسته
پروتون‌ها و نوترون‌های پیوندیافته در یک هسته، که از نیروهای میانشان محاسبه می‌شوند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام ایزوتوپ‌ها اصلاً می‌توانند وجود داشته باشند، و چه شکل‌هایی دارند؟
کنار می‌گذارد: نیروی میان نوکلئون‌ها هنوز دقیق دانسته نیست، پس هر هسته از یک تقریب آن محاسبه می‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند روز برای یک هستهٔ سنگین.از: 1965 نخستین محاسبات قطری‌سازی مدل پوسته روی رایانهٔ بزرگ.
فیزیک قلب راکتور
نوترون‌هایی که درون یک راکتور قدرت زاده می‌شوند، پراکنده و جذب می‌شوند و هسته‌ها را می‌شکافند، جفت‌شده با گرما و جریان خنک‌کننده.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا واکنش زنجیره‌ای با سوختن سوخت پایدار می‌ماند؟
کنار می‌گذارد: نمی‌تواند هر ترک، جوش و مسیر جریان در یک راکتور واقعی فرسوده را کامل در بر بگیرد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی یا صنعتی، چند ساعت برای هر چرخهٔ هسته.از: 1948 نخستین اجراهای نوترونی مونت‌کارلو از Ulam، von Neumann و Metropolis روی ENIAC.
انتقال تابش
ذره‌هایی که از ماده می‌گذرند، یک برهم‌کنش در هر بار: پرتوهای پرتودرمانی در بدن بیمار، پرتوهای کیهانی در بدنهٔ فضاپیما.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چقدر از دز در تومور می‌نشیند و چقدر در هر چیز پیرامونش؟
کنار می‌گذارد: بدن یا بدنه را هندسهٔ ثابت می‌گیرد و حرکتش را در طول تابش، مثل تنفس، کنار می‌گذارد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1013 FLOPS تقریبی ایستگاه کاری فیزیک بیمارستان یا خوشهٔ کوچک، چند دقیقه برای هر طرح.از: 1968 نخستین محاسبات دوز مونت‌کارلو که برای برنامه‌ریزی پرتودرمانی پیشنهاد شدند.
ایمنی بحرانیت هسته‌ای
انتقال نوترون مونت‌کارلو در مادهٔ شکافت‌پذیر ذخیره‌شده یا جابه‌جاشده، برای بررسی اینکه هیچ واکنش زنجیره‌ای اتفاقی نتواند آغاز شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این آرایش مادهٔ شکافت‌پذیر می‌تواند تصادفی به بحرانیت برسد؟
کنار می‌گذارد: فرض می‌کند هندسه و مادهٔ ثبت‌شده در اظهارنامه با آنچه واقعاً هست می‌خواند، پس نتیجه فقط به‌اندازهٔ مستندات قابل‌اعتماد است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1013 FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی؛ چند دقیقه تا چند ساعت برای هر پیکربندی.از: 1957 نخستین محاسبات رایانه‌ای بحرانیت، پس از آنکه حوادث زمان جنگ قواعد ایمنی رسمی را ضروری کرد.
پرتوزایی و زنجیره‌های واپاشی
مواد در معرض نوترون یا پرتو که ایزوتوپ‌های پرتوزای تازه می‌سازند و سپس در زنجیره‌هایی به سوی پایداری واپاشی می‌کنند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: این ماده پس از پرتودهی چقدر پرتوزا می‌شود و تا کی؟
کنار می‌گذارد: داده‌های هسته‌ای ایزوتوپ‌های نادر و کم‌عمر از ایزوتوپ‌های رایج پراکنده‌ترند، پس مسیرهای فرعی حدس بیشتری دارند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1012 FLOPS تقریبی یک لپ‌تاپ؛ محاسبهٔ کامل یک زنجیرهٔ واپاشی چند ثانیه طول می‌کشد.از: 1962 نخستین کدهای رایانه‌ای فعال‌سازی و واپاشی در مواد راکتور.
نوترونیک بلنکت تولیدکنندهٔ سوخت همجوشی
نوترون‌های یک واکنش همجوشی که در بلنکت پیرامون کند می‌شوند، سوخت تریتیوم را پرورش می‌دهند و گرمایی را که توربین را می‌راند به جا می‌گذارند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا بلنکت (لایهٔ پوششی) تریتیوم کافی تولید می‌کند تا راکتور سوخت داشته باشد؟
کنار می‌گذارد: بر پایهٔ طرحی مدل شده که هنوز در مقیاس کامل وجود ندارد، پس رفتار کلیدی ماده برون‌یابی می‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1014 FLOPS تقریبی ایستگاه کاری یا خوشهٔ کوچک، چند ساعت برای هر نسخهٔ طرح.از: 1980 نخستین مطالعات نوترونیک برای بلنکت‌های (لایه‌های پوششی) راکتور همجوشی پیشنهادی.
نظریهٔ میدان مؤثر شبکه‌ای هسته‌ای
پروتون‌ها و نوترون‌هایی که روی یک شبکهٔ فضازمان قرار می‌گیرند و با یک نظریهٔ مؤثر کایرال برهم‌کنش می‌کنند، و با مونت‌کارلو حل می‌شوند تا ساختار هسته به دست آید.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا حالت‌های برانگیختهٔ هسته‌های سبک، مثل حالت هویل کربن-12، را می‌توان از نیروهای نوکلئونی محاسبه کرد؟
کنار می‌گذارد: محدود به هسته‌های سبک و متوسط؛ مسائل علامت دسترسی به برخی سامانه‌ها را محدود می‌کنند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1018 FLOPS تقریبی اجراهای بزرگ مونت‌کارلو روی ماشین‌های سطح رهبریاز: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) منبع
دینامیک میدان میانگین هسته‌ای وابسته به زمان
هسته‌های در حال برخورد و شکافت که در زمان واقعی دنبال می‌شوند، با هر نوکلئون که در حین تحول در میدان میانگین همهٔ دیگران حرکت می‌کند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: هنگام تماس، آمیختن یا جدا شدن، چه بر سر دو هسته می‌آید؟
کنار می‌گذارد: میدان میانگین نمی‌تواند تونل‌زنی کوانتومی میان پیامدهای گوناگون یا نوساناتی را که بازدهی شکافت را دوپاره می‌کنند توصیف کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی اجراهای وابسته به زمان از نوع اسکیرم سه‌بعدی روی یک خوشه.از: 1976 محاسبهٔ هارتری-فاک وابسته به زمان یک‌بعدی بونش، کونین و نگله از برخوردهای هسته‌ای. منبع
دینامیک پاستای پوستهٔ ستارهٔ نوترونی
ژرف‌ترین لایهٔ پوستهٔ ستارهٔ نوترونی، جایی که نوترون‌ها و پروتون‌ها میله و ورقه می‌سازند، با دینامیک مولکولی دنبال می‌شود تا سختی آن و نحوهٔ پراکندن نوترینوها پیدا شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: ماده در پایهٔ پوستهٔ ستارهٔ نوترونی چه شکل‌هایی می‌گیرد؟
کنار می‌گذارد: برهم‌کنش نوکلئونی یک پتانسیل ساده برازش‌شده است و جعبه بسیار کوچک‌تر از یک پوستهٔ واقعی است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی دینامیک مولکولی ده‌ها هزار نوکلئون، که در چگالی‌های مختلف تکرار می‌شود.از: 2004 دینامیک مولکولی مادهٔ ناهمگن غنی از نوترون و کدری نوترینویی آن، از هوروویتس، پرز-گارسیا و پیه‌کارویچ. منبع
آشفتگی پلاسمای همجوشی
پلاسمای هیدروژنی داغ‌تر از هستهٔ خورشید که میدانی مغناطیسی آن را در بند نگه می‌دارد، همراه با انتقال آشفته‌ای که اتلاف گرما را پیش می‌برد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: دستگاه باید چقدر بزرگ باشد تا بیش از آنچه می‌گیرد انرژی بسازد؟
کنار می‌گذارد: آشفتگی کامل در مقیاس راکتور هنوز بسیار گران است، پس بیشتر اجراها برشی را شبیه‌سازی و برون‌یابی می‌کنند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1017 FLOPS تقریبی یک ابررایانهٔ ملی، سهمیه‌ای بزرگ برای چند هفته.از: 1983 نخستین کدهای آشفتگی ژیروکینتیک برای پلاسمای توکامک.
پلاسمای ذره-در-سلول
میلیون‌ها درشت‌ذرهٔ باردار که در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ذخیره‌شده روی یک شبکه حرکت می‌کنند، برای برخورد لیزر با پلاسما و شتاب‌دهی با میدان دنباله.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا موج پلاسما می‌تواند الکترون‌ها را در چند سانتی‌متر به‌جای چند کیلومتر شتاب دهد؟
کنار می‌گذارد: هر ذرهٔ شبیه‌سازی‌شده جای ذرات واقعی بسیار را می‌گیرد، که دانه‌دانگی ریز یک پلاسمای واقعی را محو می‌کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ بزرگ از GPUها، چند روز برای یک اجرای کامل میدان دنباله‌ای.از: 1959 نخستین اجراهای پلاسمای ذره-در-سلول الکترواستاتیک از بونمن و داوسون.
تعادل و پایداری پلاسما
شکل کامل یک پلاسمای محصورشده با مغناطیس، در برابر فشار و جریانی که می‌تواند تحمل کند وارسی می‌شود، پیش از آنکه پیچ بخورد، پاره شود یا فرو بپاشد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این پیکربندی پلاسما شکلش را نگه می‌دارد، یا فرو می‌ریزد؟
کنار می‌گذارد: اختلال‌های واقعی اغلب از نقص‌ها و ناخالصی‌های کوچکی آغاز می‌شوند که یک تعادل آرمانی شامل آن‌ها نمی‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند ساعت برای هر پویش تعادل.از: 1958 نخستین تعادل‌های محاسبه‌شده برای نخستین دستگاه‌های حبس مغناطیسی.
انفجار درونی در محصورسازی لختی
کپسولی کوچک از سوخت که با تابش شدید به درون رانده می‌شود تا آن‌قدر داغ و چگال شود که همجوشی کند، و تابش، هیدرودینامیک و پلاسمای در حال سوختن با هم مدل می‌شوند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا سوخت آن‌قدر یکنواخت فشرده می‌شود که پیش از متلاشی‌شدن خودش مشتعل شود؟
کنار می‌گذارد: نامتقارنی‌های بسیار کوچک در محرک ناپایداری‌هایی را می‌کارند که تقارن کروی فرض‌شده در ساده‌ترین اجراها را می‌شکنند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی خوشه‌ای بزرگ یا بخشی از یک ابررایانه، چند روز برای هر طرح.از: 1972 نخستین شبیه‌سازی‌های تابش-هیدرودینامیک کپسول‌های سوخت لیزری.
بازاتصال مغناطیسی
خطوط میدان مغناطیسی در یک پلاسما که می‌شکنند و دوباره وصل می‌شوند و انرژی میدان ذخیره‌شده را به گرما و ذرات سریع تبدیل می‌کنند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: خطوط میدان مغناطیسی واقعاً با چه سرعتی می‌توانند بشکنند و دوباره وصل شوند؟
کنار می‌گذارد: فرایند واقعی از مدار الکترون تا کل منظومه‌های ستاره‌ای را در بر می‌گیرد و هیچ اجرای واحدی همه را یک‌جا پوشش نمی‌دهد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند روز برای یک رویداد بازاتصال.از: 1963 نخستین مدل‌های محاسبه‌شدهٔ بازاتصال خط میدان به پیروی از نظریهٔ سویت و پارکر.
فرایند پلاسمای صنعتی
یون‌ها و گونه‌های واکنش‌پذیر در یک پلاسمای دما پایین که به یک سطح برخورد می‌کنند و آن را می‌سایند، برای شکل‌دادن مواد با دقتی میکروسکوپی.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا پلاسما سطح را یکنواخت می‌تراشد یا پوشش می‌دهد؟
کنار می‌گذارد: شیمی سطح در دیواره هنوز بسیار ساده‌تر از جزئیاتی است که یک محفظهٔ آلودهٔ واقعی دارد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1013 FLOPS تقریبی ایستگاه کاری یا خوشهٔ کوچک، چند ساعت برای هر دستور فرایند.از: 1985 نخستین مدل‌های رایانه‌ای زدایش پلاسمایی برای فرایند سطح.
شتاب‌دهی با میدان دنبالهٔ لیزری
اجراهای ذره-در-سلول از یک تپ لیزری شدید که یک موج پلاسما می‌راند و الکترون‌ها را در میلی‌متر به دام می‌اندازد و شتاب می‌دهد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک موج پلاسما چگونه می‌تواند الکترون‌ها را در فاصله‌ای بسیار کوتاه تا انرژی بالا شتاب دهد؟
کنار می‌گذارد: یونش، واکنش تابش و نقص‌های هدف لیزر معمولاً آرمانی می‌شوند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1018 FLOPS تقریبی سلول-در-سلول سه‌بعدی (PIC)، میلیاردها ذره در طول چندین دورهٔ موجاز: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) منبع
بهینه‌سازی پیکربندی استلاراتور
شکل یک بطری مغناطیسی پیچ‌خورده برای پلاسمای همجوشی، که با رایانه تنظیم می‌شود تا مدار ذره‌ها محصور بماند و تعادل بدون جریان رانده پایدار باشد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه شکل مغناطیسی سه‌بعدی یک پلاسمای داغ را بهتر از همه به دام می‌اندازد؟
کنار می‌گذارد: شکل‌های بهینه‌شده بر اساس تعادل‌های آرمانی داوری می‌شوند؛ آشفتگی و تلورانس پیچه‌ها بعد می‌آید و اغلب نتیجه را خراب می‌کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی هزاران محاسبهٔ تعادل و مدار درون یک حلقهٔ بهینه‌سازی.از: 1988 استلاراتورهای شبه‌مارپیچ‌متقارن محاسبه‌شدهٔ نورنبرگ و تسیله. منبع
مدل‌سازی پایهٔ لبهٔ توکامک و ELM
لایهٔ لبه‌تیز در کنارهٔ پلاسمای توکامک و انفجارهای دوره‌ای که گرما را روی دیواره می‌اندازند، که از پایداری مغناطوهیدرودینامیکی لبه محاسبه می‌شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: فشار لبه پیش از فوران پلاسما تا کجا می‌تواند بالا برود؟
کنار می‌گذارد: آستانه‌های پایداری خوب پیش‌بینی می‌شوند، اما کل انفجار غیرخطی، با فیزیک جنبشی و دیواره‌اش، هنوز فراتر از پیش‌بینی روزمره است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی اجراهای MHD گسترده ناخطی از یک انفجار روی یک سهمیهٔ بزرگ.از: 2002 مدل پوست‌کنی-بادکنکی Snyder و همکاران برای مدهای موضعی لبه و پایه. منبع
مدل‌سازی کل دستگاه توکامک
مدل‌های گرمایش، انتقال، تعادل، لبه و دیواره برای کل یک دستگاه همجوشی که در یک گردش‌کار یکپارچه جفت می‌شوند و یک تخلیهٔ کامل را پیش‌بینی می‌کنند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توان تخلیهٔ کامل پلاسما را پیش از ساخت دستگاه پیش‌بینی کرد؟
کنار می‌گذارد: بیشتر ماژول‌ها مدل‌های کاهش‌یافته‌ای‌اند که با ماشین‌های گذشته تنظیم شده‌اند، پس پیش‌بینی برای رژیمی تازه عدم‌قطعیت گسترده‌ای دارد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی مؤلفه‌های جفت‌شدهٔ کاهش‌یافته و با دقت بالا که برای یک تخلیهٔ کامل اجرا می‌شوند.از: 2015 مجموعهٔ مدل‌سازی و تحلیل یکپارچهٔ ایمبو و همکارانش برای ITER، نخستین کاربردهای یک مدل داده استاندارد که چنین ماژول‌هایی را به هم پیوند می‌دهد. منبع
شبیه‌سازی شوک بدون برخورد
موج‌های شوک در پلاسمای فضایی که ذرات هرگز برخورد نمی‌کنند، با یون‌هایی که یکی‌یکی و الکترون‌هایی که به‌صورت شاره دنبال می‌شوند تا جبههٔ شوک فقط از میدان‌ها شکل بگیرد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: یون‌ها در یک شوک که در آن چیزی برخورد نمی‌کند چگونه شتاب می‌گیرند؟
کنار می‌گذارد: الکترون‌ها سیال گرفته می‌شوند و جعبه تکهٔ کوچکی از یک شوک است، پس ساختار بزرگ‌مقیاس غایب است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی اجراهای بزرگ جنبشی ترکیبی در دو یا سه بعد.از: 1985 شبیه‌سازی‌های ترکیبی کوئست از شوک‌های عمود بدون برخورد با عدد ماخ بالا. منبع
شبیه‌سازی پلاسمای غباری و سامانه‌های یوکاوا
دانه‌های باردار معلق در پلاسما، که به‌صورت ذراتی مدل می‌شوند که از راه پتانسیلی پوشیده‌شده یکدیگر را می‌رانند و به بلور منجمد یا به مایع ذوب می‌شوند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: در چه قدرت جفت‌شدگی‌ای ابری از دانه‌های باردار بلورین می‌شود؟
کنار می‌گذارد: پتانسیل دافعهٔ پوشیده جای پلاسما را می‌گیرد و دنباله‌های پلاسمایی و باردار شدن دانه‌ها را که ابرهای غبار واقعی نشان می‌دهند نادیده می‌گیرد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1012 FLOPS تقریبی دینامیک مولکولی تا یک میلیون دانه برای زمان‌های طولانی.از: 1994 ترمودینامیک سامانه‌های یوکاوای به‌شدت جفت‌شده از مونت‌کارلو و دینامیک مولکولی، از هاماگوچی و فاروقی. منبع
شبیه‌سازی پلاسمای تک‌مؤلفه‌ای
بارهایی غوطه‌ور در زمینهٔ خنثی‌کنندهٔ یکنواخت، که شبیه‌سازی می‌شوند تا معادلهٔ حالت و بلورش مادهٔ چگال درون کوتولههای سفید و سیاره‌های غول‌پیکر یافت شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: در چه چگالی‌ای مادهٔ ستاره‌ای چگال منجمد می‌شود؟
کنار می‌گذارد: زمینهٔ یکنواخت الکترون جای الکترون‌های واقعی و قطبش‌پذیر را می‌گیرد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1010 FLOPS تقریبی مونت‌کارلوی ده‌ها هزار یون، با معیارهای امروز ناچیز.از: 1966 مطالعهٔ مونت‌کارلوی پلاسمای تک‌مؤلفه‌ای از براش، ساهلین و تلر. منبع
کنترل پلاسمای آموخته‌شده در شبیه‌سازی
کنترل‌گری مبتنی بر یادگیری تقویتی با فرمان دادن به سیم‌پیچ‌های مغناطیسی، در شبیه‌سازی سریع تعادل و تحول پلاسمای توکامک، شکل دادن و نگه داشتن آن را تمرین می‌کند و سپس روی دستگاه واقعی اجرا می‌شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا کنترل‌گری که کاملاً در شبیه‌سازی آموخته شده می‌تواند پلاسمای داغ را در شکلی خواسته‌شده نگه دارد؟
کنار می‌گذارد: مدل آموزشی تلاطم و ناپایداری‌های سریع را کنار می‌گذارد، پس به کنترلر فقط درون شرایطی که مدل می‌گیرد اعتماد می‌شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی چند روز آموزش روی چند صد شتاب‌دهنده، با اجرای مدل پلاسما میلیون‌ها بار.از: 2022 کنترل‌گر یادگیری تقویتی عمیق دگراو و همکارانش که در شبیه‌سازی آموزش دید و روی توکامک اجرا شد. منبع
سامانه‌های کوانتومی چندجسمی
الکترون‌ها یا اسپین‌های برهم‌کنشگر بسیار روی یک شبکه، که با شبکه‌های تانسوری و مونت‌کارلوی کوانتومی اداره می‌شوند چون حالت دقیق برای ذخیره‌شدن بسیار بزرگ است.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا برخی مواد ابررسانا می‌شوند، و آیا یکی می‌تواند در دمای اتاق چنین کند؟
کنار می‌گذارد: شبکه‌های تانسوری و مونت‌کارلوی کوانتومی هر دو برای برخی از جالب‌ترین سامانه‌های دارای ناکامی هندسی یا فرمیونی شکست می‌خورند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی خوشه‌ای بزرگ یا بخشی از یک ابررایانه، چند روز برای هر ماده.از: 1980 نخستین مونت‌کارلوی کوانتومی دقیق گاز الکترون از سپرلی و آلدر.
شبیه‌سازی رایانهٔ کوانتومی
رایانه‌ای کلاسیک که حالت کوانتومی کامل یک ثبات از کیوبیت‌ها را ذخیره می‌کند و گیت‌ها را روی آن اعمال می‌کند. با هر کیوبیت افزوده، حافظه دو برابر می‌شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این الگوریتم کوانتومی پیش از آنکه کسی سخت‌افزار اجرایش را بسازد کار می‌کند؟
کنار می‌گذارد: حافظهٔ لازم با هر کیوبیت اضافه دو برابر می‌شود، پس فقط می‌تواند موارد کوچک را بدون مزیت کوانتومی تقلید کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک گرهٔ خوشه با حافظهٔ زیاد؛ با هر کیوبیت اضافه هزینه دو برابر می‌شود.از: 1996 نخستین شبیه‌سازهای کلاسیک مدارهای کوانتومی کوچک.
شبیه‌سازی کوانتومی آنالوگ
یک سامانهٔ کوانتومی قابل‌کنترل، مثل اتم‌های فراسرد در شبکه‌ای از نور لیزر، که تنظیم می‌شود مثل سامانه‌ای دیگر رفتار کند که محاسبه‌اش بسیار دشوار است.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: اگر یک رایانهٔ کلاسیک نتواند مدل را حل کند، آیا می‌توان یک سامانهٔ فیزیکی قابل‌کنترل ساخت که به جای آن حلش کند؟
کنار می‌گذارد: فقط دربارهٔ همان مدلی آگاهی می‌دهد که برای شبیه‌سازی‌اش ساخته شده، نه لزوماً دربارهٔ مادهٔ واقعی که انگیزه‌اش بوده است.
اجرا می‌شود روی: هیچ رایانه‌ای. خود اتم‌ها محاسبه می‌کنند؛ رایانهٔ کنترل فقط نتیجه‌ها را ثبت می‌کند.از: 2002 گذار ابرشاره به عایق موت در اتم‌های فراسرد درون یک شبکهٔ نوری، از گرینر و همکارانش، که بعدها شبیه‌سازی کوانتومی آنالوگ اولیه خوانده شد منبعدر درخت شبیه‌سازی‌ها: شبیه‌ساز کوانتومی اتم سرد
تصحیح خطای کوانتومی
کیوبیت‌های یک رایانهٔ کوانتومی و نوفه‌ای که آن‌ها را خراب می‌کند، در برابر کدی سنجیده می‌شوند که برای شناسایی و رفع خطا پیش از پخش شدنشان طراحی شده است.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این کد تصحیح خطا با نوفهٔ واقع‌نما واقعاً از محاسبه محافظت می‌کند؟
کنار می‌گذارد: نویز واقعی همبسته است و با زمان به شیوه‌هایی رانش می‌کند که مدل‌های آرمانی به‌ندرت می‌گیرند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی یک گرهٔ خوشه با حافظهٔ زیاد؛ کدهای بزرگ‌تر هزینهٔ بسیار بیشتری دارند.از: 1996 نخستین شبیه‌سازی‌هایی که نخستین کدهای تصحیح خطای پیشنهادی را آزمودند.
مادهٔ کوانتومی توپولوژیک
الکترون‌هایی روی شبکه که چنان چیده شده‌اند که حالت جمعی‌شان به شکل کلی بستگی دارد نه جزئیات محلی، که محاسبه می‌شوند تا حالت‌های کوانتومی هال و فازهای توپولوژیک دیگر یافت شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این ماده میزبان فازی از ماده است که توپولوژی‌اش از آن محافظت می‌کند، نه تقارنش؟
کنار می‌گذارد: تشخیص یک حالت واقعاً توپولوژیک از حالت عادیِ بسیار مشابه می‌تواند به دقت عددی‌ای بستگی داشته باشد که بیشتر اجراها به آن نمی‌رسند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی خوشه‌ای بزرگ یا بخشی از یک ابررایانه، چند روز برای هر سامانهٔ نامزد.از: 1988 نخستین مطالعات عددی پس از کشف نظری نظم توپولوژیک.
دینامیک گاز اتمی فوق‌سرد
ابری از اتم‌ها که آن‌قدر سرد شده‌اند که یک تابع موج کوانتومی را میان خود شریک شوند و با معادلهٔ میدان میانگین که چگالش بوز-اینشتین را توصیف می‌کند تحول می‌یابند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چگالیده وقتی برآشفته شود چگونه نوسان می‌کند، شکافته می‌شود یا گردابه می‌سازد؟
کنار می‌گذارد: معادلهٔ میدان میانگین همبستگی‌های تک‌تک اتم‌ها را که نزدیک گذار فاز اهمیت دارند از دست می‌دهد.
اجرا می‌شود روی: حدود 1013 FLOPS تقریبی یک ایستگاه کاری؛ چند دقیقه تا چند ساعت برای هر ابر به‌دام‌افتاده.از: 1995 مدل‌سازی پیرامون نخستین چگالیده‌های بوز-اینشتین آزمایشگاهی.
شبیه‌سازی کوانتومی دیجیتال روی سخت‌افزار
رایانه‌ای کوانتومی ساخته‌شده از کیوبیت‌های قابل‌کنترل دنباله‌ای از گیت‌ها را اجرا می‌کند که تحول سامانه‌ای مشابه را تقلید می‌کند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا دستگاه کوانتومی برنامه‌پذیر می‌تواند دینامیک مدلی را که برای حافظهٔ کلاسیک بسیار بزرگ است بازتولید کند؟
کنار می‌گذارد: نویز عمق را محدود می‌کند و تقریب تروتر خطای خودش را وارد می‌کند.
اجرا می‌شود روی: هیچ رایانه‌ای. سخت‌افزار کوانتومی، نه FLOPS کلاسیک؛ راستی‌آزمایی روی ماشین‌های معمولی فقط در اندازهٔ کوچکاز: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) منبع
نظریهٔ پیمانه‌ای شبکه‌ای روی سخت‌افزار کوانتومی
رایانه‌ای کوانتومی با چند کیوبیت یک نظریهٔ پیمانه‌ای شبکه‌ای را در زمان واقعی تحول می‌دهد؛ کاری که به‌خاطر مسئلهٔ علامت برای مونت‌کارلوی کلاسیک دشوار است.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توان دینامیک زمان واقعی یک نظریهٔ پیمانه‌ای را روی رایانهٔ کوانتومی اجرا کرد؟
کنار می‌گذارد: تاکنون فقط یک بعد فضایی و مشتی جایگاه.
اجرا می‌شود روی: هیچ رایانه‌ای. تعداد کیوبیت کم؛ هزینهٔ کلاسیک وارسی متقابل به‌صورت نمایی رشد می‌کنداز: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) منبع
حالت‌های کوانتومی شبکهٔ عصبی
شبکهٔ عصبی تابع موج یک سامانهٔ چندذره‌ای را نمایش می‌دهد و پارامترهایش با مونت‌کارلوی وردشی تنظیم می‌شود تا حالت‌های پایه و دینامیک یافت شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا شبکهٔ عصبی می‌تواند حالتی کوانتومی را که برای ذخیرهٔ دقیق بسیار بزرگ است فشرده کدگذاری کند؟
کنار می‌گذارد: دقت به طراحی شبکه بستگی دارد و بهینه‌سازی ممکن است در کمینه‌های بد گیر کند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1016 FLOPS تقریبی آموزش با مونت‌کارلوی وردشی روی شتاب‌دهنده‌هااز: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) منبع
دینامیک گردابه‌های ابررسانا
لوله‌های شار مغناطیسی که از یک ابررسانای نوع دوم می‌گذرند، در حین حرکت، گیر افتادن روی عیب‌ها و اتلاف انرژی دنبال می‌شوند، با نظریهٔ میدان وابسته به زمان برای حالت ابررسانا.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: گردابه‌های مغناطیسی درون یک ابررسانا چگونه حرکت می‌کنند و گیر می‌افتند؟
کنار می‌گذارد: نظریهٔ میدان پدیده‌شناختی رفتار میکروسکوپی الکترون را نادیده می‌گیرد و فقط نزدیک دمای گذار معتبر است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1014 FLOPS تقریبی اجراهای وابسته به زمان گینزبورگ-لانداو سه‌بعدی روی یک خوشه.از: 1996 شبیه‌سازی عددی گروپ و همکارانش از دینامیک گردابه‌ها در ابررساناهای نوع دوم. منبع
مونت‌کارلوی انتگرال مسیر برای شاره‌های کوانتومی
هر ذرهٔ کوانتومی به‌صورت حلقه‌ای از نسخه‌های به‌هم‌پیوسته نمایش داده می‌شود، که در دمای متناهی نمونه‌برداری می‌شود تا هلیوم ابرشاره و دیگر مایعات بوزونی فقط از برهم‌کنش محاسبه شوند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا هلیوم مایع زیر دو کلوین بدون اصطکاک جریان می‌یابد؟
کنار می‌گذارد: فرمیون‌ها از مسئلهٔ علامت رنج می‌برند، پس الکترون‌ها و هلیوم-3 به تقریب‌هایی نیاز دارند که خطایی کنترل‌نشده می‌آورند.
اجرا می‌شود روی: حدود 1014 FLOPS تقریبی میلیاردها نمونهٔ مسیر برای یک مایع انبوه.از: 1984 شبیه‌سازی انتگرال مسیر پولاک و سپرلی از سامانه‌های کوانتومی چندجسمی و هلیوم ابرشاره. منبع
شبیه‌سازی مدار پایدارساز
رایانه‌ای کلاسیک مداری کوانتومی را که فقط از گیت‌های کلیفورد ساخته شده دنبال می‌کند؛ به‌جای ذخیرهٔ حالت کامل، تغییرات جدول کوچکی از عملگرهای پائولی را پی می‌گیرد. این کار اجرای مدارهای تصحیح خطا با هزاران کیوبیت را ممکن می‌کند.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: وقتی هر گیت، اندازه‌گیری و گام بیکار نویزی است، یک کد تصحیح خطا هر چند وقت یک‌بار شکست می‌خورد؟
کنار می‌گذارد: فقط مدارهای ساخته‌شده از عملگرهای کلیفورد و اندازه‌گیری‌های پائولی را می‌توان این‌گونه دنبال کرد، پس محاسبهٔ کوانتومی جهانی دور از دسترس است.
اجرا می‌شود روی: حدود 1012 FLOPS تقریبی میلیون‌ها شات پرنویز از یک وصلهٔ بزرگ کد روی یک خوشهٔ ایستگاه کاری.از: 2004 الگوریتم بهبودیافتهٔ آرونسون و گاتسمن برای شبیه‌سازی مدارهای پایدارساز در زمان چندجمله‌ای. منبع
رمزگشاهای تصحیح خطای آموخته‌شده
شبکهٔ عصبی روی الگوهای خطای شبیه‌سازی‌شدهٔ یک کد کوانتومی آموزش می‌بیند تا نشانگان اندازه‌گیری‌شده را بخواند و استنباط کند کدام تصحیح را باید اعمال کرد.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا رمزگشای آموخته می‌تواند خطاها را در حافظهٔ کوانتومی سریع‌تر یا دقیق‌تر از الگوریتم دست‌طراحی اصلاح کند؟
کنار می‌گذارد: رمزگشا فقط مدل نویزی را می‌شناسد که با آن آموزش دیده، و سخت‌افزار واقعی دچار رانش می‌شود و خطاهای همبسته دارد که شبیه‌سازی در بر نداشت.
اجرا می‌شود روی: حدود 1015 FLOPS تقریبی آموزش روی میلیاردها نشانگان شبیه‌سازی‌شده روی گره‌های GPU.از: 2016 رمزگشای عصبی Torlai و Melko برای کدهای توپولوژیک (arXiv 2016، منتشرشده در 2017). منبع
شبیه‌سازی شبکهٔ کوانتومی
گره‌هایی که کیوبیت نگه می‌دارند، پیوندهای درهم‌تنیده و کانال‌های فوتونی پرنویز که به‌صورت رویدادهای گسسته در زمان مدل می‌شوند تا پروتکل‌های اشتراک درهم‌تنیدگی در یک شبکه آزموده شود.
پرسشی که پاسخ می‌دهد: دو گره دور از هم با تکرارکننده‌ها و فیبر پرتلفات چقدر سریع و چقدر وفادارانه می‌توانند درهم‌تنیدگی را به اشتراک بگذارند؟
کنار می‌گذارد: نویز سخت‌افزار به چند مدل پارامتری کاسته شده است و شبکه‌ای در مقیاس بزرگ وجود ندارد که نرخ‌های پیش‌بینی‌شده با آن سنجیده شود.
اجرا می‌شود روی: حدود 1011 FLOPS تقریبی اجراهای طولانی بسیار از یک پروتکل شبکه روی یک سرور.از: 2021 NetSquid کوپمنز و همکارانش، شبیه‌ساز رویداد-گسسته برای شبکه‌های کوانتومی. منبع