Pundamental na pisika
Mga quark, nucleus, plasma at quantum matter: ang pinakamaliliit na sistemang sinisimulate, at kabilang sa pinakamahal sa kompyut.
Ang pundasyon ng hierarkiya. Nagsisimula ang mga simulasyong ito sa pundamental na teorya, ang Standard Model at quantum mechanics, at kinukuwenta ang mga kahihinatnan nito. Pinakamalapit ang mga ito sa paglikha ng mga pisikal na penomenon mula sa mga unang prinsipyo. Ipinapaliwanag din nila kung bakit napakaraming kompyut ang kailangan ng pinakamapinong antas ng materya sa Sandbox.
Lattice QCD
Mga quark at gluon sa isang apat-na-dimensiyong grid ng mga punto ng spacetime, na ginagamit para kuwentahin ang masa at katangian ng mga proton, neutron at iba pang hadron mula sa malakas na puwersa lamang.
Tanong na sinasagot nito: Ano ang masa ng proton, na teorya lang ang panimulang bagay?
Hindi kasama: Kompromiso ang agwat ng grid at laki ng kahon. Ini-extrapolate ang mga resulta tungo sa continuum at walang hanggang volume, pero hindi kailanman naaabot ang mga ito.
Tumatakbo sa: mga 1017 FLOPS magaspang alokasyon ng isang pambansang supercomputer, mga linggo ng isang malaking partisyon.Mula: 1979 Ang Monte Carlo na pag-aaral ni Creutz sa purong SU(2) lattice gauge theory, na walang quark; sumunod na pumasok ang mga quark pinagmulanSa simulations tree: Lattice gauge Monte Carlo
Pagbuo ng kaganapan sa collider
Bawat banggaan ng proton at proton sa accelerator, mula sa hard scatter hanggang sa parton shower hanggang sa buhos ng hadron na umaabot sa detector.
Tanong na sinasagot nito: Ano ang magiging hitsura ng datos kung totoo ang isang iminungkahing bagong particle?
Hindi kasama: Tinatantiya ang quantum interference sa lahat ng nag-aambag na proseso sa pamamagitan ng pagpapanatili lamang sa mga nangingibabaw, na ang mga parameter ay inayos para tumugma sa nakaraang datos.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang grid-computing cluster, nagpoproseso ng bilyun-bilyong na-simulate na banggaan.Mula: 1982 mga maagang computerised na parton-shower event generator para sa collider physics.
Tugon ng detector
Bawat particle na lumalabas sa isang banggaan, sinusundan sa mga patong ng silicon, calorimeter at magnet, na nag-iiwan ng enerhiya habang dumaraan.
Tanong na sinasagot nito: Aling mga tunay na hudyat ang hindi mapapansin ng detector, at alin ang huwad nitong makikita?
Hindi kasama: Ipinapalagay na eksaktong ayon sa disenyo ang heometriya at calibration ng detector, gayong unti-unting sinisira ito ng tumatandang kable at pinsala ng radyasyon.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang cluster ng unibersidad o grid-computing, milyun-milyong CPU-oras sa isang taon.Mula: 1974 Ang unang pangkalahatang particle-transport code ng CERN para sa disenyo ng detector.
Mga cosmic-ray air shower
Isang napakaenerhetikong particle mula sa kalawakan na tumatama sa itaas na atmospera at nagbubunga ng bilyun-bilyong pangalawang particle habang pababa.
Tanong na sinasagot nito: Anong uri ng particle, mula sa gaano kalayo, ang lumikha ng padron na nakita ng ating mga ground detector?
Hindi kasama: Umaasa sa mga collision model na na-extrapolate nang malayo sa anumang enerhiyang nasubok ng accelerator.
Tumatakbo sa: mga 1014 FLOPS magaspang isang maliit na cluster o malakas na workstation, ilang oras bawat hanay ng shower.Mula: 1961 mga maagang Monte Carlo na modelo ng mga cascade ng cosmic-ray na particle.
Dinamika ng accelerator beam
Mga kumpol ng particle na may singil na umiikot sa mga magnet nang milyun-milyong ikot, tinutulak ng mga field at ng isa't isa.
Tanong na sinasagot nito: Nananatili bang nakatutok ang beam, o unti-unti ba itong kumakalat at tumatama sa mga pader?
Hindi kasama: Ina-idealisa ang mga magnet na binuo ayon sa spesipikasyon, samantalang may maliliit na depekto sa paggawa ang mga totoo na mahalaga sa loob ng milyun-milyong ikot.
Tumatakbo sa: mga 1013 FLOPS magaspang isang desktop workstation o maliit na cluster, ilang minuto bawat disenyo ng lattice.Mula: 1959 mga maagang computer tracking study para sa mga unang strong-focusing synchrotron.
Simulasyon ng neutrino detector
Liwanag o karga mula sa neutrino na nag-uugnayan nang malalim sa tangke ng tubig, yelo o likido, na sinusundan sa buong detector para malaman kung ano ang hitsura ng isang tunay na pangyayari.
Tanong na sinasagot nito: Anong hudyat ang iiwan ng ganitong uri ng neutrino, at maihihiwalay ba natin ito sa background?
Hindi kasama: Ang mga kable, bula at bato sa ibabaw ng isang totoong detector ay nagdaragdag ng ingay na hindi ganap na mahuhulaan ng anumang simulation.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang cluster ng unibersidad o kolaborasyon, mga linggo bawat disenyo ng detector.Mula: 1987 mga detector simulation na binuo para bigyang-kahulugan ang pagsabog ng neutrino ng supernova noong 1987.
Mga generative calorimeter shower model
Isang neural network na sinanay sa buong takbo ng particle-transport ang gumagawa ng mga deposito ng enerhiya ng isang shower sa isang detector sa napakaliit na bahagi ng gastos.
Tanong na sinasagot nito: Mapapalitan ba ng isang sinanay na generator ang pinakamabagal na bahagi ng isang detector simulation?
Hindi kasama: Ginagaya nito ang estadistika ng mga takbo ng pagsasanay, hindi bagong pisika, at lumilihis sa labas ng mga enerhiyang nakita nito.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang Pagsasanay sa milyun-milyong buong shower event, saka murang pagsampolMula: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) pinagmulan
Flow-based sampling para sa lattice field theory
Isang sinanay na normalising flow ang nagmumungkahi ng buong field configuration sa isang lattice, na itinatama ng eksaktong hakbang na tanggapin-o-tanggihan para manatiling walang kiling ang sagot.
Tanong na sinasagot nito: Matatalo ba ng mga natutunang sampler ang critical slowing down ng karaniwang lattice Monte Carlo?
Hindi kasama: Naipakita higit sa lahat sa mga low-dimensional na toy theory; mabilis tumaas ang gastos ng pagsasanay sa laki ng lattice.
Tumatakbo sa: mga 1017 FLOPS magaspang Pagsasanay at malalaking lattice ensembleMula: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) pinagmulan
Istruktura ng nucleus
Mga proton at neutron na magkakabigkis sa nucleus, na kinukuwenta mula sa mga puwersa sa pagitan nila.
Tanong na sinasagot nito: Aling mga isotope ang maaaring umiral, at anong mga hugis ang kinukuha nila?
Hindi kasama: Hindi pa rin eksaktong alam ang puwersa sa pagitan ng mga nucleon, kaya kinukuwenta ang bawat nucleus mula sa approximation nito.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang university cluster, mga araw para sa isang mabigat na nucleus.Mula: 1965 mga maagang shell-model diagonalisation na kalkulasyon sa mainframe.
Pisika ng core ng reactor
Mga neutron na isinisilang, nagkakalat, nasisipsip at naghahati sa mga nucleus sa loob ng power reactor, na nakakabit sa daloy ng init at coolant.
Tanong na sinasagot nito: Nananatili bang matatag ang chain reaction habang nauubos ang panggatong?
Hindi kasama: Hindi ganap na nakukuha ang bawat bitak, weld at landas ng daloy sa isang tumatandang totoong reactor.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang cluster ng unibersidad o industriya, ilang oras bawat core cycle.Mula: 1948 Ang mga unang Monte Carlo na takbo ng neutron nina Ulam, von Neumann at Metropolis sa ENIAC.
Transportasyon ng radyasyon
Mga particle na dumadaan sa materya, isang interaksiyon sa bawat pagkakataon: mga sinag ng radiotherapy sa pasyente, cosmic ray sa katawan ng spacecraft.
Tanong na sinasagot nito: Gaano karaming dosis ang napupunta sa tumor, at gaano sa lahat ng nasa paligid nito?
Hindi kasama: Itinuturing na takdang geometriya ang katawan o hull, at hindi isinasama ang galaw nito habang nae-expose, tulad ng paghinga.
Tumatakbo sa: mga 1013 FLOPS magaspang isang physics workstation ng ospital o maliit na cluster, ilang minuto bawat plano.Mula: 1968 mga unang Monte Carlo na kalkulasyon ng dosis na iminungkahi para sa pagpaplano ng radiotherapy.
Kaligtasan ng nuclear criticality
Monte Carlo na transportasyon ng neutron sa pamamagitan ng nakaimbak o hinahawakang fissile na materyal, para tiyaking walang aksidenteng chain reaction na magsisimula.
Tanong na sinasagot nito: Maaari bang aksidenteng maging kritikal ang ayos ng fissile na materyal na ito?
Hindi kasama: Ipinapalagay na tugma sa aktuwal na naroroon ang heometriya at materyal na nakatala sa deklarasyon, kaya kasing-asahan lang ng dokumentasyon ang resulta.
Tumatakbo sa: mga 1013 FLOPS magaspang isang desktop workstation; ilang minuto hanggang oras bawat configuration.Mula: 1957 mga maagang computerised na kalkulasyon ng criticality pagkatapos hikayatin ng mga aksidente noong digmaan ang pormal na tuntunin sa kaligtasan.
Radioactivation at mga decay chain
Mga materyal na nalantad sa neutron o radyasyon na bumubuo ng bagong radioactive na isotope, saka nabubulok sa mga kadena patungo sa katatagan.
Tanong na sinasagot nito: Gaano karadioactive ang materyal na ito, at sa gaano katagal, pagkatapos itong ma-irradiate?
Hindi kasama: Mas kulang-kulang ang nuclear data para sa mga bihira at maiksing-buhay na isotope kaysa sa karaniwan, kaya mas maraming hula ang mga pangalawang landas.
Tumatakbo sa: mga 1012 FLOPS magaspang isang laptop; ilang segundo ang buong kalkulasyon ng decay chain.Mula: 1962 mga maagang computer code para sa activation at decay sa mga materyal ng reactor.
Neutronics ng fusion breeding blanket
Mga neutron mula sa fusion reaction na bumabagal sa nakapaligid na blanket, na nagpaparami ng tritium na panggatong at naglalabas ng init na magpapaandar ng turbine.
Tanong na sinasagot nito: Nakapagpaparami ba ang blanket ng sapat na tritium para panatilihing may panggatong ang reactor?
Hindi kasama: Nakabatay sa disenyong wala pa sa buong laki, kaya ina-extrapolate ang mahalagang kilos ng materyal.
Tumatakbo sa: mga 1014 FLOPS magaspang isang workstation o maliit na cluster, ilang oras bawat bersyon ng disenyo.Mula: 1980 mga maagang neutronics na pag-aaral para sa mga iminungkahing blanket ng fusion reactor.
Nuclear lattice effective field theory
Mga proton at neutron na inilalagay sa spacetime lattice at nag-uugnayan sa pamamagitan ng chiral effective theory, na nilulutas gamit ang Monte Carlo para ibigay ang istruktura ng nucleus.
Tanong na sinasagot nito: Makukwenta ba mula sa mga puwersa ng nucleon ang mga excited na estado ng magagaan na nucleus, gaya ng Hoyle state ng carbon-12?
Hindi kasama: Limitado sa magagaan at katamtamang nucleus; nililimitahan ng mga sign problem kung aling mga sistema ang maaabot.
Tumatakbo sa: mga 1018 FLOPS magaspang Malalaking Monte Carlo na takbo sa mga leadership machineMula: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) pinagmulan
Time-dependent na nuclear mean-field na dinamika
Mga nucleus na nagbabanggaan at nahahati na sinusundan sa real time, bawat nucleon ay gumagalaw sa karaniwang field ng lahat ng iba habang umuunlad.
Tanong na sinasagot nito: Ano ang nangyayari sa dalawang nucleus habang nagdidikit, nagsasanib o nagtatalbugan?
Hindi kasama: Hindi mailalarawan ng isang mean field ang quantum tunnelling sa pagitan ng iba't ibang kinalabasan o ang mga pagbabagu-bago na naghahati sa mga ani ng fission.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang tatlong-dimensyonal na time-dependent na takbo na uri ng Skyrme sa isang cluster.Mula: 1976 Ang one-dimensional na time-dependent Hartree-Fock na kalkulasyon nina Bonche, Koonin at Negele sa mga banggaan ng nucleus. pinagmulan
Dynamics ng pasta sa crust ng neutron star
Ang pinakamalalim na patong ng crust ng neutron star, kung saan bumubuo ng mga tungkod at plaka ang mga neutron at proton, na sinusundan gamit ang molecular dynamics para malaman ang tigas nito at kung paano nito ikinakalat ang mga neutrino.
Tanong na sinasagot nito: Anong mga hugis ang kinukuha ng materya sa ilalim ng crust ng neutron star?
Hindi kasama: Simpleng fitted na potensiyal ang interaksyon ng nucleon at mas maliit nang malayo ang kahon kaysa sa tunay na crust.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang molecular dynamics ng sampu-sampung libong nucleon, inuulit sa iba't ibang densidad.Mula: 2004 Molecular dynamics nina Horowitz, Perez-Garcia at Piekarewicz ng hindi pantay na materyang mayaman sa neutron at ng neutrino opacity nito. pinagmulan
Turbulence ng fusion plasma
Isang plasma ng hydrogen na mas mainit kaysa sa ubod ng Araw, nakakulong sa magnetic field, kasama ang magulong transportasyon na nagdudulot ng pagkawala ng init.
Tanong na sinasagot nito: Gaano kalaki dapat ang makina bago ito gumawa ng mas maraming enerhiya kaysa sa kinukunsumo nito?
Hindi kasama: Masyado pa ring magastos ang ganap na turbulence sa sukat ng reactor, kaya karamihan ng takbo ay nagsi-simulate ng hiwa at nag-e-extrapolate.
Tumatakbo sa: mga 1017 FLOPS magaspang isang pambansang supercomputer, isang malaking alokasyon sa loob ng ilang linggo.Mula: 1983 mga maagang gyrokinetic turbulence code para sa mga tokamak plasma.
Particle-in-cell na plasma
Milyun-milyong naka-charge na macro-particle na gumagalaw sa mga electric at magnetic field na nakaimbak sa grid, na ginagamit para sa mga laser na tumatama sa plasma at wakefield acceleration.
Tanong na sinasagot nito: Mapapabilis ba ng plasma wave ang mga electron sa loob ng sentimetro sa halip na kilometro?
Hindi kasama: Bawat na-simulate na particle ay kumakatawan sa marami sa totoo, kaya lumalabo ang pinong pagkabutil-butil ng totoong plasma.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang isang malaking GPU cluster, mga araw para sa isang buong wakefield run.Mula: 1959 Ang mga unang electrostatic na particle-in-cell na takbo ng plasma nina Buneman at Dawson.
Equilibrium at katatagan ng plasma
Ang buong hugis ng plasmang nakakulong sa magnetismo, na sinusuri laban sa presyon at kuryenteng kaya nitong suportahan bago ito mabaluktot, mapunit o magambala.
Tanong na sinasagot nito: Mananatili ba ang hugis ng konpigurasyon ng plasma na ito, o guguho?
Hindi kasama: Madalas magsimula ang mga tunay na pagkagambala sa maliliit na di-perpekto at dumi na wala sa idealisadong equilibrium.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang university cluster, ilang oras bawat equilibrium scan.Mula: 1958 mga maagang kinwentang equilibria para sa mga unang magnetic confinement device.
Implosion ng inertial confinement
Isang maliit na kapsula ng panggatong na itinutulak papasok ng matinding radyasyon hanggang sapat ang init at siksik para mag-fuse, imodelo bilang radyasyon, hydrodynamics at nasusunog na plasma nang sabay.
Tanong na sinasagot nito: Sapat bang pantay ang pag-compress ng gatong para magliyab bago ito sumabog nang kusa?
Hindi kasama: Ang maliliit na kawalan ng simetriya sa drive ang naghahasik ng mga instabilidad na bumabali sa spherical na simetriyang ipinapalagay ng pinakasimpleng takbo.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang isang malaking cluster o partisyon ng supercomputer, mga araw bawat disenyo.Mula: 1972 mga maagang radiation-hydrodynamics na simulation ng mga fuel capsule na pinatatakbo ng laser.
Magnetic reconnection
Mga magnetic field line sa isang plasma na nababali at muling nagdudugtong, na ginagawang init at mabibilis na particle ang nakaimbak na enerhiya ng field.
Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis talagang maghihiwalay at muling magdudugtong ang mga magnetic field line?
Hindi kasama: Sumasaklaw ang tunay na proseso sa mga sukat mula sa orbit ng elektron hanggang sa buong sistema ng bituin na hindi kayang saklawin nang sabay ng iisang takbo.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang university cluster, mga araw para sa isang reconnection event.Mula: 1963 mga maagang kinwentang modelo ng field-line reconnection kasunod ng teorya nina Sweet at Parker.
Industrial na plasma processing
Mga ion at reactive na species sa low-temperature na plasma na tumatama at nag-uukit sa isang ibabaw, na ginagamit para hubugin ang mga materyal sa mikroskopikong katumpakan.
Tanong na sinasagot nito: Pantay ba ang pag-ukit o pagpapatong ng plasma sa ibabaw?
Hindi kasama: Pinasimple pa rin ang kimika ng ibabaw sa dingding, malayo sa detalye ng tunay na maruming silid.
Tumatakbo sa: mga 1013 FLOPS magaspang isang workstation o maliit na cluster, ilang oras bawat recipe ng proseso.Mula: 1985 mga maagang computer model ng plasma etching para sa pagproseso ng ibabaw.
Laser wakefield acceleration
Mga particle-in-cell na takbo ng matinding laser pulse na nagpapaandar ng alon ng plasma na bumibitag at nagpapabilis ng mga elektron sa loob ng mga milimetro.
Tanong na sinasagot nito: Paano mapapabilis ng alon ng plasma ang mga elektron hanggang sa mataas na enerhiya sa napakaikling distansya?
Hindi kasama: Karaniwang idinealisa ang ionisation, radiation reaction at mga di-perpektong laser-target.
Tumatakbo sa: mga 1018 FLOPS magaspang 3D particle-in-cell, bilyon-bilyong particle sa maraming wave periodMula: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) pinagmulan
Pag-optimisa ng konpigurasyon ng stellarator
Ang hugis ng baluktot na magnetic bottle para sa fusion plasma, inaayos ng kompyuter hanggang manatiling nakakulong ang mga orbit ng particle at matatag ang equilibrium nang walang driven current.
Tanong na sinasagot nito: Anong tatlong-dimensyonal na hugis magnetiko ang pinakamahusay na nakakahuli sa mainit na plasma?
Hindi kasama: Hinuhusgahan ang mga na-optimise na hugis sa mga idealisadong equilibrium; kalaunan lang dumarating ang kaguluhan at tolerance ng coil at madalas nitong sirain ang resulta.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang libu-libong kuwenta ng equilibrium at orbit sa loob ng optimisation loop.Mula: 1988 Mga kinompyut na quasi-helically symmetric na stellarator nina Nuhrenberg at Zille. pinagmulan
Pagmomodelo ng edge pedestal at ELM ng tokamak
Ang patong na matarik ang gilid sa gilid ng plasma ng tokamak at ang pana-panahong pagsabog na naghahagis ng init sa dingding, na kinukuwenta mula sa magnetohydrodynamic na katatagan ng gilid.
Tanong na sinasagot nito: Gaano kataas aakyat ang presyon sa gilid bago pumutok ang plasma?
Hindi kasama: Mahusay na nahuhulaan ang mga hangganan ng katatagan, ngunit ang buong nonlinear na pagsabog, kasama ang kinetic at wall physics nito, ay hindi pa kayang hulaan nang regular.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang nonlinear extended-MHD na takbo ng isang burst sa malaking alokasyon.Mula: 2002 Ang peeling-ballooning na modelo nina Snyder at mga kasamahan ng edge localised modes at ng pedestal. pinagmulan
Pagmomodelo ng buong device ng tokamak
Mga modelo ng pag-init, transportasyon, equilibrium, gilid at dingding para sa buong fusion device na pinagsama sa iisang integrated na daloy ng trabaho na humuhula ng buong discharge.
Tanong na sinasagot nito: Mahuhulaan ba ang buong plasma discharge bago itayo ang makina?
Hindi kasama: Karamihan ng mga module ay pinaliit na modelo na iniayon sa mga nakaraang makina, kaya malawak ang kawalang-katiyakan ng mga hula para sa bagong rehimen.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang mga coupled na reduced at high-fidelity na module na pinatakbo para sa buong discharge.Mula: 2015 Imbeaux and colleagues' integrated modelling and analysis suite for ITER, the first applications of a standard data model linking such modules. pinagmulan
Simulation ng collisionless shock
Mga shock wave sa space plasma kung saan hindi kailanman nagbabanggaan ang mga particle, na ang mga ion ay sinusundan nang isa-isa at ang mga elektron ay bilang likido para ang shock front ay mabuo mula sa mga field lamang.
Tanong na sinasagot nito: Paano naa-accelerate ang mga ion sa isang shock na walang nagbabanggaan?
Hindi kasama: Itinuturing na likido ang mga electron at ang kahon ay maliit na patse ng shock, kaya nawawala ang malakihang istruktura.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang malalaking hybrid na kinetic na takbo sa dalawa o tatlong dimensiyon.Mula: 1985 Hybrid simulation ni Quest ng mga collisionless perpendicular shock na may mataas na Mach number. pinagmulan
Simulation ng dusty plasma at Yukawa system
Mga butil na may singil na nakalutang sa plasma, imodelo bilang mga particle na nagtutulakan sa pamamagitan ng screened na potential na nagyeyelo bilang kristal o natutunaw bilang likido.
Tanong na sinasagot nito: Sa anong lakas ng coupling nagiging kristal ang ulap ng mga butil na may singil?
Hindi kasama: Pinapalitan ng screened-repulsion na potensiyal ang plasma at binabalewala ang mga wake at pagkakarga ng butil na nakikita sa tunay na ulap ng alikabok.
Tumatakbo sa: mga 1012 FLOPS magaspang molecular dynamics ng hanggang isang milyong butil sa mahabang panahon.Mula: 1994 Thermodynamics ng mga Yukawa system na malakas ang pagkakabit nina Hamaguchi at Farouki, mula sa Monte Carlo at molecular dynamics. pinagmulan
Simulasyon ng one-component plasma
Mga singil na nakalubog sa pare-parehong neutralising na background, sini-simulate para malaman ang equation of state at pagkristal ng siksik na materya sa loob ng mga white dwarf at higanteng planeta.
Tanong na sinasagot nito: Sa anong densidad nagyeyelo ang siksik na materya ng bituin?
Hindi kasama: Ang pantay na background ng elektron ang pumapalit sa tunay at napo-polarise na mga elektron.
Tumatakbo sa: mga 1010 FLOPS magaspang Monte Carlo ng sampu-sampung libong ion, katamtaman ayon sa makabagong pamantayan.Mula: 1966 Ang Monte Carlo na pag-aaral nina Brush, Sahlin at Teller sa isang one-component na plasma. pinagmulan
Learned na kontrol ng plasma sa simulation
Isang reinforcement-learning na controller ang nagsasanay sa paghubog at pagpigil ng tokamak plasma sa pag-utos sa mga magnet coil sa mabilis na simulation ng equilibrium at ebolusyon nito, saka pinatatakbo sa totoong aparato.
Tanong na sinasagot nito: Mapipigil ba ng isang controller na natutunan nang buo sa simulation ang mainit na plasma sa hiniling na hugis?
Hindi kasama: Hindi isinasama ng training model ang turbulence at mabilis na instabilidad, kaya pinagkakatiwalaan lang ang controller sa loob ng mga kondisyong nakukuha nito.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang mga araw ng pagsasanay sa ilang daang accelerator, pinatatakbo ang plasma model nang milyun-milyong beses.Mula: 2022 Ang deep reinforcement learning na controller nina Degrave at mga kasamahan na sinanay sa simulation at pinatakbo sa isang tokamak. pinagmulan
Mga quantum many-body system
Maraming nag-uugnayang elektron o spin sa isang lattice, hinahawakan gamit ang tensor network at quantum Monte Carlo dahil masyadong malaki ang eksaktong estado para itabi.
Tanong na sinasagot nito: Bakit nagiging superconductor ang ilang materyal, at maaari bang mangyari ito sa temperatura ng silid?
Hindi kasama: Parehong nabibigo ang tensor network at quantum Monte Carlo sa ilan sa pinakakawili-wiling frustrated o fermionic na sistema.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang isang malaking cluster o partisyon ng supercomputer, mga araw bawat materyal.Mula: 1980 Ang unang tumpak na quantum Monte Carlo nina Ceperley at Alder sa electron gas.
Emulasyon ng quantum computer
Isang klasikal na kompyuter na nag-iimbak ng buong quantum state ng isang rehistro ng mga qubit at naglalapat ng mga gate dito. Dumodoble ang memorya sa bawat dagdag na qubit.
Tanong na sinasagot nito: Gumagana ba ang quantum algorithm na ito bago pa man may magtayo ng hardware para patakbuhin ito?
Hindi kasama: Dumodoble ang kailangang memorya sa bawat dagdag na qubit, kaya mae-emulate lang nito ang maliliit na kaso na walang quantum advantage.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang cluster node na malaki ang memorya; dumodoble ang gastos sa bawat dagdag na qubit.Mula: 1996 mga maagang klasikal na simulator ng maliliit na quantum circuit.
Analogue na quantum simulation
Isang makokontrol na quantum system, tulad ng ultracold na atom sa lattice ng liwanag ng laser, na itinutono para kumilos na parang isa pang masyadong mahirap kuwentahin.
Tanong na sinasagot nito: Kung hindi kayang lutasin ng klasikong kompyuter ang modelo, makagagawa ba ng isang makokontrol na pisikal na sistema para gawin ito?
Hindi kasama: Nagbibigay lang ng impormasyon tungkol sa iisang modelong ginawa para i-emulate nito, hindi kinakailangang sa tunay na materyal na nag-udyok dito.
Tumatakbo sa: walang kompyuter. ang mga atom mismo ang nagkukompyut; nagtatala lang ng mga resulta ang control computer.Mula: 2002 Ang transisyon ng superfluid tungo sa Mott insulator ng mga ultracold na atom sa isang optical lattice nina Greiner at mga kasamahan, na kalaunan ay nabasa bilang isang maagang analog na quantum simulation pinagmulanSa simulations tree: Cold-atom quantum simulator
Quantum error correction
Ang mga qubit ng isang quantum computer at ang ingay na sumisira sa mga ito, sinusuri laban sa isang code na dinisenyo para tuklasin at ayusin ang mga error bago kumalat.
Tanong na sinasagot nito: Pinoprotektahan ba talaga ng error-correcting code na ito ang kalkulasyon, sa makatotohanang ingay?
Hindi kasama: Magkakaugnay ang tunay na ingay at lumilihis sa paglipas ng panahon sa mga paraang bihirang makuha ng mga idealisadong modelo.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang isang cluster node na malaki ang memorya; mas malaki ang gastos ng mas malalaking code.Mula: 1996 mga maagang simulation na sumusubok sa mga unang iminungkahing error-correcting code.
Topological na quantum matter
Mga electron sa isang lattice na inayos kaya ang kolektibong estado nila ay nakasalalay sa pangkalahatang hugis sa halip na sa lokal na detalye, kinukwenta para hanapin ang mga quantum Hall state at iba pang topological na phase.
Tanong na sinasagot nito: Nagho-host ba ang materyal na ito ng phase ng materya na pinoprotektahan ng topolohiya nito sa halip na ng simetriya?
Hindi kasama: Ang pagkilala sa tunay na topolohikal na estado mula sa halos kapareho nitong ordinaryong estado ay maaaring nakasalalay sa numerikal na katumpakang hindi pa lubusang maabot ng karamihan sa mga takbo.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang isang malaking cluster o partisyon ng supercomputer, mga araw bawat kandidatong sistema.Mula: 1988 mga maagang numerikal na pag-aaral kasunod ng teoretikal na pagtuklas ng topological order.
Dinamika ng napakalamig na atomikong gas
Isang ulap ng mga atomo na pinalamig hanggang magbahagi ng iisang quantum wavefunction, pinaunlad gamit ang mean-field equation na naglalarawan sa isang Bose-Einstein condensate.
Tanong na sinasagot nito: Paano umiindayog, nahahati o bumubuo ng mga vortex ang condensate kapag ginambala?
Hindi kasama: Hindi nakukuha ng mean-field equation ang mga ugnayan ng indibidwal na atom na mahalaga malapit sa phase transition.
Tumatakbo sa: mga 1013 FLOPS magaspang isang workstation; ilang minuto hanggang oras bawat nakulong na ulap.Mula: 1995 pagmomodelo na nakabatay sa mga unang Bose-Einstein condensate sa laboratoryo.
Digital na quantum simulation sa hardware
Isang quantum computer na binuo mula sa mga kontrolable na qubit ang nagpapatakbo ng sunud-sunod na gate na ginagaya ang ebolusyon ng isa pang ganoong sistema.
Tanong na sinasagot nito: Maaari bang gayahin ng isang programmable na quantum device ang dinamika ng isang modelong masyadong malaki para sa klasikal na memorya?
Hindi kasama: Nililimitahan ng ingay ang lalim, at may sarili itong error ang Trotter approximation.
Tumatakbo sa: walang kompyuter. Quantum hardware, hindi klasikong FLOPS; beripikasyon sa mga karaniwang makina sa maliit na laki langMula: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) pinagmulan
Lattice gauge theory sa quantum hardware
Isang quantum computer na may ilang qubit ang nagpapaunlad ng lattice gauge theory sa real time, isang gawaing mahirap para sa klasikal na Monte Carlo dahil sa sign problem.
Tanong na sinasagot nito: Mapapatakbo ba sa isang quantum computer ang real-time na dinamika ng isang gauge theory?
Hindi kasama: Isang spatial na dimensiyon at iilang site pa lang.
Tumatakbo sa: walang kompyuter. Maliit ang bilang ng qubit; eksponensiyal na lumalaki ang gastos ng klasikong pag-cross-checkMula: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) pinagmulan
Mga neural-network na quantum state
Isang neural network ang kumakatawan sa wavefunction ng isang many-body na sistema, at ang mga parameter nito ay inaayos sa variational Monte Carlo para makahanap ng mga ground state at dinamika.
Tanong na sinasagot nito: Maaari bang i-encode nang siksik ng isang neural network ang isang quantum state na masyadong malaki para maimbak nang eksakto?
Hindi kasama: Nakadepende ang katumpakan sa disenyo ng network, at maaaring matigil ang optimisasyon sa mahihirap na minima.
Tumatakbo sa: mga 1016 FLOPS magaspang Pagsasanay gamit ang variational Monte Carlo sa mga acceleratorMula: 2016 Paglutas sa quantum many-body problem gamit ang artipisyal na neural network (2016) pinagmulan
Dinamika ng vortex ng superconductor
Ang mga tubo ng magnetic flux na dumadaan sa type-II superconductor, na sinusundan habang gumagalaw, nakakapit sa mga depekto at nagwawaldas ng enerhiya, gamit ang time-dependent field theory para sa superconducting state.
Tanong na sinasagot nito: Paano gumagalaw at napipigil ang mga magnetic vortex sa loob ng superconductor?
Hindi kasama: Binabalewala ng phenomenological field theory ang mikroskopikong kilos ng elektron at balido lang malapit sa temperatura ng transisyon.
Tumatakbo sa: mga 1014 FLOPS magaspang tatlong-dimensyonal na time-dependent na takbo ng Ginzburg-Landau sa isang cluster.Mula: 1996 Numerical na simulation nina Gropp at mga kasamahan sa dynamics ng vortex sa type-II na superconductor. pinagmulan
Path-integral Monte Carlo ng mga quantum fluid
Bawat quantum particle ay kinakatawan bilang singsing ng magkakaugnay na kopya, sini-sample sa may hangganang temperatura para kwentahin ang superfluid helium at iba pang bosonic na likido mula sa interaksyon lamang.
Tanong na sinasagot nito: Bakit dumadaloy nang walang friction ang likidong helium sa ibaba ng dalawang kelvin?
Hindi kasama: Dumaranas ng sign problem ang mga fermion, kaya kailangan ng electrons at helium-3 ang mga aproksimasyong nagpapasok ng hindi kontroladong error.
Tumatakbo sa: mga 1014 FLOPS magaspang bilyun-bilyong sample ng landas para sa isang bulk na likido.Mula: 1984 Path-integral simulation nina Pollock at Ceperley ng mga quantum many-body system at superfluid helium. pinagmulan
Simulasyon ng stabilizer circuit
Sinusubaybayan ng isang klasikal na kompyuter ang isang quantum circuit na binuo lamang mula sa mga Clifford gate sa pagsunod sa kung paano nagbabago ang isang maliit na talaan ng mga Pauli operator, sa halip na iimbak ang buong state. Dahil dito, mapapatakbo ang mga error-correction circuit na may libu-libong qubit.
Tanong na sinasagot nito: Gaano kadalas pumapalya ang isang error-correcting code kapag maingay ang bawat gate, sukat at hakbang na walang ginagawa?
Hindi kasama: Mga circuit lang na gawa sa mga operasyong Clifford at sukat na Pauli ang masusubaybayan sa ganitong paraan, kaya hindi maaabot ang universal na quantum computation.
Tumatakbo sa: mga 1012 FLOPS magaspang milyun-milyong maingay na shot ng malaking code patch sa isang workstation cluster.Mula: 2004 Ang pinahusay na algorithm nina Aaronson at Gottesman para i-simulate ang mga stabilizer circuit sa polynomial time. pinagmulan
Mga learned na error-correction decoder
Isang neural network ang sinanay sa mga na-simulate na pattern ng error mula sa isang quantum code para basahin ang mga nasukat na syndrome at hulaan kung anong pagwawasto ang ilalapat.
Tanong na sinasagot nito: Maaayos ba ng isang natutunang decoder ang mga error sa isang quantum memory nang mas mabilis o mas tumpak kaysa sa gawa-kamay na algorithm?
Hindi kasama: Ang noise model lang na pinagsanayan ang alam ng decoder, at ang tunay na hardware ay nagbabago-bago at may magkakaugnay na error na wala sa simulasyon.
Tumatakbo sa: mga 1015 FLOPS magaspang pagsasanay sa bilyun-bilyong simulate na syndrome sa mga GPU node.Mula: 2016 Ang neural decoder nina Torlai at Melko para sa mga topological code (arXiv 2016, nailathala 2017). pinagmulan
Simulasyon ng quantum network
Mga node na may hawak na qubit, entangled na link at maingay na photon channel na minomodelo bilang discrete na pangyayari sa oras, para masubok ang mga protocol sa pagbabahagi ng entanglement sa isang network.
Tanong na sinasagot nito: Gaano kabilis at kaayos maibabahagi ng dalawang malayong node ang entanglement sa pamamagitan ng mga repeater at lossy na hibla?
Hindi kasama: Binabawasan sa ilang parametrised na modelo ang ingay ng hardware, at walang network na may sapat na laki para masuri ang mga hinulaang antas.
Tumatakbo sa: mga 1011 FLOPS magaspang maraming mahahabang takbo ng isang network protocol sa iisang server.Mula: 2021 Ang NetSquid nina Coopmans at mga kasamahan, isang discrete-event na simulator para sa mga quantum network. pinagmulan