Physique fondamentale
Quarks, noyaux, plasmas et matière quantique : les plus petits systèmes simulés, et parmi les plus coûteux en calcul.
Le fondement de la hiérarchie. Ces simulations partent de la théorie fondamentale, le modèle standard et la mécanique quantique, et en calculent les conséquences. Ce sont les plus proches de produire les phénomènes physiques à partir des premiers principes. Elles expliquent aussi pourquoi les planchers de matière les plus fins du bac à sable demandent tant de calcul.
QCD sur réseau
Des quarks et des gluons sur une grille à quatre dimensions de points d’espace-temps, utilisés pour calculer les masses et les propriétés des protons, des neutrons et d’autres hadrons à partir de la seule interaction forte.
Question à laquelle elle répond: Quelle est la masse d’un proton, à partir de la seule théorie ?
Laisse de côté : L’espacement de la grille et la taille de la boîte sont des compromis. Les résultats sont extrapolés vers le continu et le volume infini, sans jamais les atteindre.
Tourne sur : environ 1017 FLOPS approximatif une allocation sur supercalculateur national, des semaines sur une grande partition.Depuis : 1979 L’étude Monte Carlo de la théorie de jauge SU(2) pure sur réseau de Creutz, sans quarks ; les quarks sont venus plus tard sourceDans l’arbre des simulations: Monte Carlo sur réseau de jauge
Génération d’événements de collisionneur
Chaque collision proton-proton dans un accélérateur, de la diffusion dure aux gerbes de partons jusqu’à la gerbe de hadrons qui atteint le détecteur.
Question à laquelle elle répond: À quoi ressembleraient les données si une nouvelle particule proposée était réelle ?
Laisse de côté : Approxime l’interférence quantique entre tous les processus contributeurs en ne retenant que les dominants, avec des paramètres réglés pour coller aux données passées.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster de calcul en grille, qui traite des milliards de collisions simulées.Depuis : 1982 premiers générateurs informatiques d’événements à gerbes de partons pour la physique des collisionneurs.
Réponse du détecteur
Chaque particule qui sort d’une collision, suivie à travers des couches de silicium, de calorimètre et d’aimant, en déposant de l’énergie au passage.
Question à laquelle elle répond: Quels vrais signaux le détecteur manquera-t-il, et lesquels fabriquera-t-il ?
Laisse de côté : Suppose que la géométrie et l’étalonnage du détecteur sont exactement ceux prévus, alors que le vieillissement des câbles et les dégâts de rayonnement les dégradent peu à peu.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire ou de calcul en grille, des millions d’heures de CPU par an.Depuis : 1974 Le premier code général de transport de particules du CERN pour la conception de détecteurs.
Gerbes atmosphériques de rayons cosmiques
Une seule particule très énergétique venue de l’espace qui frappe la haute atmosphère et se démultiplie en milliards de secondaires en descendant.
Question à laquelle elle répond: Quel type de particule, venue de quelle distance, a produit le motif que nos détecteurs au sol ont vu ?
Laisse de côté : S’appuie sur des modèles de collision extrapolés bien au-delà de toute énergie testée par un accélérateur.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un petit cluster ou un poste de travail puissant, quelques heures par ensemble de gerbes.Depuis : 1961 premiers modèles Monte Carlo de cascades de particules de rayons cosmiques.
Dynamique de faisceau d’accélérateur
Des paquets de particules chargées qui tournent dans des aimants pendant des millions de tours, poussés par les champs et par leurs voisines.
Question à laquelle elle répond: Le faisceau reste-t-il bien focalisé, ou diverge-t-il peu à peu et frappe-t-il les parois ?
Laisse de côté : Idéalise les aimants comme s’ils étaient construits selon les spécifications, alors que les vrais ont de petites erreurs de fabrication qui comptent sur des millions de tours.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques minutes par conception de réseau.Depuis : 1959 premières études informatiques de suivi de particules pour les premiers synchrotrons à focalisation forte.
Simulation de détecteurs de neutrinos
La lumière ou la charge d’un neutrino qui interagit au fond d’une cuve d’eau, de glace ou de liquide, suivie à travers le détecteur pour déterminer à quoi ressemble un vrai événement.
Question à laquelle elle répond: Quel signal ce type de neutrino laisserait-il, et peut-on le distinguer du bruit de fond ?
Laisse de côté : Les câbles, les bulles et la roche qui recouvre un vrai détecteur ajoutent un bruit qu’aucune simulation n’anticipe entièrement.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire ou de collaboration, des semaines par conception de détecteur.Depuis : 1987 des simulations de détecteurs construites pour interpréter le sursaut de neutrinos de la supernova de 1987.
Modèles génératifs de gerbes de calorimètre
Un réseau de neurones entraîné sur des exécutions complètes de transport de particules, qui produit les dépôts d’énergie d’une gerbe dans un détecteur pour une toute petite fraction du coût.
Question à laquelle elle répond: Un générateur entraîné peut-il remplacer la partie la plus lente d’une simulation de détecteur ?
Laisse de côté : Il reproduit les statistiques des simulations d’entraînement, pas une physique nouvelle, et dérive hors des énergies qu’il a vues.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif Entraînement sur des millions de gerbes complètes, puis échantillonnage peu coûteuxDepuis : 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) source
Échantillonnage par flots pour la théorie des champs sur réseau
Un flot normalisant entraîné propose des configurations de champ entières sur un réseau, qui sont ensuite corrigées par une étape exacte d’acceptation ou de rejet, si bien que la réponse reste sans biais.
Question à laquelle elle répond: Des échantillonneurs appris peuvent-ils battre le ralentissement critique du Monte Carlo ordinaire sur réseau ?
Laisse de côté : Démontré surtout dans des théories jouets de faible dimension ; le coût d’entraînement croît vite avec le volume du réseau.
Tourne sur : environ 1017 FLOPS approximatif Entraînement plus grands ensembles de réseauxDepuis : 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) source
Structure nucléaire
Des protons et des neutrons liés dans un noyau, calculés à partir des forces entre eux.
Question à laquelle elle répond: Quels isotopes peuvent exister, et quelles formes prennent-ils ?
Laisse de côté : La force entre nucléons n’est toujours pas connue exactement, si bien que chaque noyau est calculé à partir d’une approximation de celle-ci.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours pour un noyau lourd.Depuis : 1965 premiers calculs de diagonalisation du modèle en couches sur un gros ordinateur (mainframe).
Physique du cœur de réacteur
Des neutrons qui naissent, diffusent, sont absorbés et fissionnent des noyaux dans un réacteur de puissance, couplés à la chaleur et à l’écoulement du réfrigérant.
Question à laquelle elle répond: La réaction en chaîne reste-t-elle stable à mesure que le combustible brûle ?
Laisse de côté : Ne peut pas saisir complètement chaque fissure, soudure et chemin d’écoulement d’un vrai réacteur vieillissant.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire ou industriel, quelques heures par cycle de cœur.Depuis : 1948 Les premiers calculs Monte-Carlo de neutrons d’Ulam, von Neumann et Metropolis sur l’ENIAC.
Transport du rayonnement
Des particules qui traversent la matière, une interaction à la fois : faisceaux de radiothérapie dans un patient, rayons cosmiques dans la coque d’un vaisseau.
Question à laquelle elle répond: Quelle dose arrive dans la tumeur, et quelle dose dans tout ce qui l’entoure ?
Laisse de côté : Traite le corps ou la coque comme une géométrie fixe, sans son mouvement pendant l’exposition, comme la respiration.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un poste de travail de physique hospitalière ou un petit cluster, quelques minutes par plan.Depuis : 1968 premiers calculs de dose Monte Carlo proposés pour la planification de la radiothérapie.
Sûreté-criticité nucléaire
Transport Monte Carlo de neutrons à travers de la matière fissile stockée ou manipulée, pour vérifier qu’aucune réaction en chaîne accidentelle ne peut démarrer.
Question à laquelle elle répond: Cet agencement de matière fissile pourrait-il atteindre la criticité par accident ?
Laisse de côté : Suppose que la géométrie et le matériau consignés dans la déclaration correspondent à ce qui est réellement présent, si bien que le résultat n’est fiable que si la documentation l’est.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un poste de travail ; de quelques minutes à quelques heures par configuration.Depuis : 1957 premiers calculs informatiques de criticité après que des accidents en temps de guerre ont motivé des règles de sécurité formelles.
Radioactivation et chaînes de désintégration
Des matériaux exposés aux neutrons ou aux radiations qui accumulent de nouveaux isotopes radioactifs, puis se désintègrent en chaînes vers la stabilité.
Question à laquelle elle répond: Quelle sera la radioactivité de ce matériau, et pendant combien de temps, après irradiation ?
Laisse de côté : Les données nucléaires des isotopes rares et de courte durée de vie sont plus lacunaires que celles des isotopes courants, si bien que les voies mineures reposent davantage sur des conjectures.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif un ordinateur portable ; un calcul complet de chaîne de désintégration prend quelques secondes.Depuis : 1962 premiers codes informatiques d’activation et de désintégration dans les matériaux de réacteur.
Neutronique des couvertures de régénération de la fusion
Des neutrons issus d’une réaction de fusion qui ralentissent dans la couverture environnante, produisent le tritium combustible et déposent la chaleur qui entraînerait une turbine.
Question à laquelle elle répond: La couverture produit-elle assez de tritium pour alimenter le réacteur en combustible ?
Laisse de côté : Modélisé sur une conception qui n’existe pas encore à pleine échelle, si bien que le comportement clé des matériaux est extrapolé.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par variante de conception.Depuis : 1980 premières études de neutronique pour les couvertures de réacteurs de fusion proposés.
Théorie effective des champs nucléaire sur réseau
Des protons et des neutrons placés sur un réseau d’espace-temps et qui interagissent par une théorie effective chirale, résolue par Monte Carlo pour donner la structure nucléaire.
Question à laquelle elle répond: Peut-on calculer les états excités de noyaux légers, comme l’état de Hoyle du carbone 12, à partir des forces entre nucléons ?
Laisse de côté : Limité aux noyaux légers et moyens ; les problèmes de signe restreignent les systèmes accessibles.
Tourne sur : environ 1018 FLOPS approximatif De grandes simulations Monte Carlo sur des machines de classe leaderDepuis : 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) source
Dynamique nucléaire de champ moyen dépendante du temps
Des noyaux qui se heurtent et fissionnent, suivis en temps réel, chaque nucléon se déplaçant dans le champ moyen de tous les autres au fil de son évolution.
Question à laquelle elle répond: Qu’arrive-t-il à deux noyaux quand ils se touchent, fusionnent ou rebondissent ?
Laisse de côté : Un champ moyen ne peut pas décrire l’effet tunnel quantique entre différentes issues, ni les fluctuations qui répartissent les rendements de fission.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif calculs dépendants du temps de type Skyrme en trois dimensions sur une grappe.Depuis : 1976 Le calcul de Hartree-Fock dépendant du temps, à une dimension, des collisions nucléaires par Bonche, Koonin et Negele. source
Dynamique des « pâtes » de la croûte des étoiles à neutrons
La couche la plus profonde de la croûte d’une étoile à neutrons, où neutrons et protons forment des bâtonnets et des feuillets, suivie en dynamique moléculaire pour trouver sa rigidité et la façon dont elle diffuse les neutrinos.
Question à laquelle elle répond: Quelles formes la matière prend-elle à la base de la croûte d’une étoile à neutrons ?
Laisse de côté : L’interaction entre nucléons est un simple potentiel ajusté, et la boîte est bien plus petite qu’une vraie croûte.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif dynamique moléculaire de dizaines de milliers de nucléons, répétée sur plusieurs densités.Depuis : 2004 La dynamique moléculaire de la matière riche en neutrons non uniforme et de son opacité aux neutrinos, par Horowitz, Perez-Garcia et Piekarewicz. source
Turbulence des plasmas de fusion
Un plasma d’hydrogène plus chaud que le cœur du Soleil, confiné par un champ magnétique, avec le transport turbulent qui provoque les pertes de chaleur.
Question à laquelle elle répond: Quelle taille la machine doit-elle avoir avant de produire plus d’énergie qu’elle n’en consomme ?
Laisse de côté : La pleine turbulence à l’échelle du réacteur reste trop coûteuse, si bien que la plupart des exécutions simulent une tranche et extrapolent.
Tourne sur : environ 1017 FLOPS approximatif un supercalculateur national, une grande allocation pendant des semaines.Depuis : 1983 premiers codes de turbulence gyrocinétique pour les plasmas de tokamak.
Plasma particule-dans-cellule
Des millions de macro-particules chargées qui traversent des champs électriques et magnétiques stockés sur une grille, pour les lasers qui frappent un plasma et l’accélération par sillage.
Question à laquelle elle répond: Une onde de plasma peut-elle accélérer des électrons en quelques centimètres plutôt qu’en kilomètres ?
Laisse de côté : Chaque particule simulée représente de nombreuses particules réelles, ce qui brouille la fine granularité d’un vrai plasma.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif un grand cluster de GPU, des jours pour une exécution complète de sillage laser.Depuis : 1959 Les premières exécutions de plasma particule-maille électrostatique de Buneman et Dawson.
Équilibre et stabilité du plasma
La forme entière d’un plasma confiné magnétiquement, vérifiée par rapport à la pression et au courant qu’il peut supporter avant de se tordre, de se déchirer ou de se rompre.
Question à laquelle elle répond: Cette configuration de plasma gardera-t-elle sa forme, ou s’effondrera-t-elle ?
Laisse de côté : Les vraies disruptions partent souvent de petites imperfections et impuretés qu’un équilibre idéalisé n’inclut pas.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire, quelques heures par balayage d’équilibre.Depuis : 1958 premiers équilibres calculés pour les premiers dispositifs de confinement magnétique.
Implosion à confinement inertiel
Une petite capsule de combustible comprimée par un rayonnement intense jusqu’à être assez chaude et dense pour fusionner, modélisée avec rayonnement, hydrodynamique et plasma en combustion ensemble.
Question à laquelle elle répond: Le combustible se comprimera-t-il assez uniformément pour s’enflammer avant de se disloquer ?
Laisse de côté : De minuscules asymétries dans l’entraînement ensemencent des instabilités qui brisent la symétrie sphérique que supposent les calculs les plus simples.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif un grand cluster ou une partition de supercalculateur, des jours par conception.Depuis : 1972 premières simulations de radiohydrodynamique de capsules de combustible pilotées par laser.
Reconnexion magnétique
Des lignes de champ magnétique dans un plasma qui se rompent et se rejoignent, en convertissant l’énergie de champ stockée en chaleur et en particules rapides.
Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse les lignes de champ magnétique peuvent-elles réellement se rompre et se reconnecter ?
Laisse de côté : Le vrai processus s’étend de l’orbite des électrons à des systèmes stellaires entiers, qu’aucun calcul isolé ne couvre à la fois.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours pour un événement de reconnexion.Depuis : 1963 premiers modèles calculés de reconnexion des lignes de champ d’après la théorie de Sweet et Parker.
Traitement industriel par plasma
Des ions et des espèces réactives dans un plasma à basse température qui frappent et gravent une surface, pour façonner des matériaux avec une précision microscopique.
Question à laquelle elle répond: Le plasma gravera-t-il ou recouvrira-t-il la surface uniformément ?
Laisse de côté : La chimie de surface à la paroi reste simplifiée, bien en deçà du détail d’une vraie chambre contaminée.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par recette de procédé.Depuis : 1985 premiers modèles informatiques de gravure par plasma pour le traitement des surfaces.
Accélération par sillage laser
Des simulations particule-dans-cellule d’une impulsion laser intense qui entraîne une onde de plasma piégeant et accélérant des électrons sur quelques millimètres.
Question à laquelle elle répond: Comment une onde de plasma peut-elle accélérer des électrons à haute énergie sur une très courte distance ?
Laisse de côté : L’ionisation, la réaction de rayonnement et les imperfections laser-cible sont généralement idéalisées.
Tourne sur : environ 1018 FLOPS approximatif PIC 3D (particle-in-cell), des milliards de particules sur de nombreuses périodes d’ondeDepuis : 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) source
Optimisation de configurations de stellarator
La forme d’une bouteille magnétique torsadée pour un plasma de fusion, ajustée par ordinateur jusqu’à ce que les orbites des particules restent confinées et que l’équilibre soit stable sans courant imposé.
Question à laquelle elle répond: Quelle forme magnétique en trois dimensions piège le mieux un plasma chaud ?
Laisse de côté : Les formes optimisées sont jugées sur des équilibres idéalisés ; la turbulence et les tolérances des bobines viennent plus tard et gâchent souvent le résultat.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif des milliers de calculs d’équilibre et d’orbite dans une boucle d’optimisation.Depuis : 1988 Les stellarators à symétrie quasi hélicoïdale calculés par Nuhrenberg et Zille. source
Modélisation du piédestal de bord et des ELM d’un tokamak
La couche à bord abrupt à la périphérie d’un plasma de tokamak et les éclats périodiques qui projettent de la chaleur sur la paroi, calculés à partir de la stabilité magnétohydrodynamique du bord.
Question à laquelle elle répond: Jusqu’où la pression au bord peut-elle grimper avant que le plasma n’entre en éruption ?
Laisse de côté : Les seuils de stabilité sont bien prédits, mais l’éclatement non linéaire complet, avec sa physique cinétique et de paroi, reste hors de portée de la prévision courante.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif des simulations MHD étendues non linéaires d’une seule bouffée sur une grande allocation.Depuis : 2002 Le modèle de peeling-ballooning de Snyder et ses collègues pour les modes localisés de bord et le piédestal. source
Modélisation d’un tokamak entier
Des modèles de chauffage, de transport, d’équilibre, de bord et de paroi pour tout un dispositif de fusion, couplés dans un seul flux de travail intégré qui prédit une décharge complète.
Question à laquelle elle répond: Peut-on prédire une décharge de plasma complète avant que la machine soit construite ?
Laisse de côté : La plupart des modules sont des modèles réduits réglés sur des machines passées, si bien que les prédictions pour un nouveau régime comportent une large incertitude.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif des modules réduits et haute fidélité couplés, exécutés pour une décharge complète.Depuis : 2015 La suite de modélisation et d’analyse intégrée pour ITER d’Imbeaux et ses collègues, premières applications d’un modèle de données standard reliant de tels modules. source
Simulation de chocs sans collisions
Des ondes de choc dans le plasma spatial où les particules n’entrent jamais en collision, avec des ions suivis un à un et des électrons comme fluide, si bien que le front de choc se forme à partir des seuls champs.
Question à laquelle elle répond: Comment les ions sont-ils accélérés par un choc où rien n’entre en collision ?
Laisse de côté : Les électrons sont traités comme un fluide et la boîte est un minuscule fragment de choc, si bien que la structure à grande échelle manque.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif de grandes simulations cinétiques hybrides en deux ou trois dimensions.Depuis : 1985 Les simulations hybrides de chocs perpendiculaires sans collision à nombre de Mach élevé de Quest. source
Simulation des plasmas poussiéreux et des systèmes de Yukawa
Des grains chargés en suspension dans un plasma, modélisés comme des particules qui se repoussent par un potentiel écranté et qui gèlent en cristaux ou fondent en liquides.
Question à laquelle elle répond: À partir de quelle force de couplage un nuage de grains chargés cristallise-t-il ?
Laisse de côté : Le potentiel de répulsion écrantée remplace le plasma et ignore les sillages et la charge des grains que montrent les vrais nuages de poussière.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif dynamique moléculaire jusqu’à un million de grains sur de longues durées.Depuis : 1994 La thermodynamique des systèmes de Yukawa fortement couplés, par Monte Carlo et dynamique moléculaire, de Hamaguchi et Farouki. source
Simulation de plasma à un composant
Des charges plongées dans un fond neutralisant uniforme, simulées pour trouver l’équation d’état et la cristallisation de la matière dense à l’intérieur des naines blanches et des planètes géantes.
Question à laquelle elle répond: À partir de quelle densité la matière stellaire dense gèle-t-elle ?
Laisse de côté : Le fond uniforme d’électrons remplace les vrais électrons polarisables.
Tourne sur : environ 1010 FLOPS approximatif Monte Carlo de dizaines de milliers d’ions, modeste selon les normes actuelles.Depuis : 1966 L’étude Monte Carlo d’un plasma à un composant par Brush, Sahlin et Teller. source
Contrôle du plasma appris en simulation
Un contrôleur par apprentissage par renforcement s’exerce à façonner et à tenir un plasma de tokamak en commandant les bobines magnétiques dans une simulation rapide de son équilibre et de son évolution, puis est lancé sur l’appareil réel.
Question à laquelle elle répond: Un contrôleur appris entièrement en simulation peut-il maintenir un plasma chaud dans une forme demandée ?
Laisse de côté : Le modèle d’entraînement laisse de côté la turbulence et les instabilités rapides, si bien que le contrôleur n’est fiable que dans les conditions qu’il capte.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif des jours d’entraînement sur quelques centaines d’accélérateurs, qui exécutent le modèle de plasma des millions de fois.Depuis : 2022 Le contrôleur d’apprentissage par renforcement profond de Degrave et ses collègues, entraîné en simulation et exécuté sur un tokamak. source
Systèmes quantiques à plusieurs corps
De nombreux électrons ou spins en interaction sur un réseau, traités avec des réseaux de tenseurs et du Monte Carlo quantique parce que l’état exact est bien trop grand pour être stocké.
Question à laquelle elle répond: Pourquoi certains matériaux sont-ils supraconducteurs, et l’un d’eux pourrait-il l’être à température ambiante ?
Laisse de côté : Les réseaux de tenseurs et le Monte-Carlo quantique échouent tous deux sur certains des systèmes frustrés ou fermioniques les plus intéressants.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif un grand cluster ou une partition de supercalculateur, des jours par matériau.Depuis : 1980 Le premier Monte Carlo quantique précis du gaz d’électrons par Ceperley et Alder.
Émulation d’ordinateur quantique
Un ordinateur classique stocke l’état quantique complet d’un registre de qubits et lui applique des portes. La mémoire double à chaque qubit ajouté.
Question à laquelle elle répond: Cet algorithme quantique fonctionne-t-il avant que quiconque construise le matériel pour l’exécuter ?
Laisse de côté : La mémoire nécessaire double à chaque qubit de plus, si bien qu’on ne peut émuler que les petits cas sans avantage quantique.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un nœud de cluster à forte mémoire ; le coût double à chaque qubit supplémentaire.Depuis : 1996 premiers simulateurs classiques de petits circuits quantiques.
Simulation quantique analogique
Un système quantique contrôlable, comme des atomes ultrafroids dans un réseau de lumière laser, réglé pour se comporter comme un autre trop difficile à calculer.
Question à laquelle elle répond: Si un ordinateur classique ne peut pas résoudre le modèle, peut-on faire en sorte qu’un système physique contrôlable le fasse à sa place ?
Laisse de côté : N’éclaire que le seul modèle qu’il a été construit pour émuler, pas forcément le vrai matériau qui l’a motivé.
Tourne sur : aucun ordinateur. les atomes calculent eux-mêmes ; un ordinateur de contrôle ne fait qu’enregistrer les résultats.Depuis : 2002 La transition du superfluide à l’isolant de Mott d’atomes ultrafroids dans un réseau optique, par Greiner et ses collègues, lue plus tard comme une des premières simulations quantiques analogiques sourceDans l’arbre des simulations: Simulateur quantique à atomes froids
Correction d’erreurs quantiques
Les qubits d’un ordinateur quantique et le bruit qui les corrompt, confrontés à un code conçu pour détecter et corriger les erreurs avant qu’elles ne se propagent.
Question à laquelle elle répond: Ce code correcteur d’erreurs protège-t-il réellement le calcul, compte tenu d’un bruit réaliste ?
Laisse de côté : Le vrai bruit est corrélé et dérive avec le temps d’une façon que les modèles idéalisés saisissent rarement.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif un nœud de cluster à forte mémoire ; les codes plus grands coûtent bien plus cher.Depuis : 1996 premières simulations qui testent les premiers codes correcteurs d’erreurs proposés.
Matière quantique topologique
Des électrons sur un réseau disposés de sorte que leur état collectif dépende de sa forme d’ensemble plutôt que des détails locaux, calculés pour trouver des états de Hall quantique et d’autres phases topologiques.
Question à laquelle elle répond: Ce matériau accueille-t-il une phase de la matière protégée par sa topologie plutôt que par sa symétrie ?
Laisse de côté : Distinguer un état vraiment topologique d’un état ordinaire très semblable peut dépendre d’une précision numérique que la plupart des calculs n’atteignent pas tout à fait.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif un grand cluster ou une partition de supercalculateur, des jours par système candidat.Depuis : 1988 premières études numériques à la suite de la découverte théorique de l’ordre topologique.
Dynamique des gaz atomiques ultrafroids
Un nuage d’atomes refroidi jusqu’à partager une seule fonction d’onde quantique, évolué avec l’équation de champ moyen qui décrit un condensat de Bose-Einstein.
Question à laquelle elle répond: Comment le condensat oscille-t-il, se divise-t-il ou forme-t-il des vortex quand on le perturbe ?
Laisse de côté : L’équation de champ moyen manque les corrélations entre atomes individuels qui comptent près d’une transition de phase.
Tourne sur : environ 1013 FLOPS approximatif un poste de travail ; de quelques minutes à quelques heures par nuage piégé.Depuis : 1995 modélisation construite autour des premiers condensats de Bose-Einstein de laboratoire.
Simulation quantique numérique sur matériel
Un ordinateur quantique fait de qubits contrôlables exécute une suite de portes qui imite l’évolution d’un autre système du même genre.
Question à laquelle elle répond: Un dispositif quantique programmable peut-il reproduire la dynamique d’un modèle trop grand pour la mémoire classique ?
Laisse de côté : Le bruit limite la profondeur, et l’approximation de Trotter introduit sa propre erreur.
Tourne sur : aucun ordinateur. Matériel quantique, pas des FLOPS classiques ; vérification sur machines conventionnelles seulement à petite tailleDepuis : 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) source
Théorie de jauge sur réseau sur matériel quantique
Un ordinateur quantique de quelques qubits fait évoluer en temps réel une théorie de jauge sur réseau, tâche difficile pour le Monte Carlo classique à cause du problème de signe.
Question à laquelle elle répond: Peut-on exécuter sur un ordinateur quantique la dynamique en temps réel d’une théorie de jauge ?
Laisse de côté : Une seule dimension spatiale et une poignée de sites pour l’instant.
Tourne sur : aucun ordinateur. Peu de qubits ; le coût classique de la vérification croisée croît de façon exponentielleDepuis : 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) source
États quantiques à réseaux de neurones
Un réseau de neurones représente la fonction d’onde d’un système à plusieurs corps, et ses paramètres sont réglés par Monte Carlo variationnel pour trouver les états fondamentaux et la dynamique.
Question à laquelle elle répond: Un réseau de neurones peut-il encoder de façon compacte un état quantique trop grand pour être stocké exactement ?
Laisse de côté : La précision dépend de la conception du réseau, et l’optimisation peut stagner dans de mauvais minima.
Tourne sur : environ 1016 FLOPS approximatif Entraînement par Monte-Carlo variationnel sur accélérateursDepuis : 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) source
Dynamique des vortex supraconducteurs
Les tubes de flux magnétique qui traversent un supraconducteur de type II, suivis pendant qu’ils se déplacent, s’accrochent sur des défauts et dissipent de l’énergie, avec une théorie de champ dépendante du temps pour l’état supraconducteur.
Question à laquelle elle répond: Comment les vortex magnétiques se déplacent-ils et se coincent-ils dans un supraconducteur ?
Laisse de côté : La théorie phénoménologique des champs ignore le comportement microscopique des électrons et n’est valable que près de la température de transition.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif calculs de Ginzburg-Landau dépendants du temps en trois dimensions sur une grappe.Depuis : 1996 La simulation numérique de la dynamique des vortex dans les supraconducteurs de type II par Gropp et ses collègues. source
Monte Carlo par intégrale de chemin de fluides quantiques
Chaque particule quantique est représentée par un anneau de copies liées, échantillonné à température finie pour calculer l’hélium superfluide et d’autres liquides bosoniques à partir de la seule interaction.
Question à laquelle elle répond: Pourquoi l’hélium liquide s’écoule-t-il sans frottement sous deux kelvins ?
Laisse de côté : Les fermions souffrent du problème de signe, si bien que les électrons et l’hélium 3 exigent des approximations qui introduisent une erreur incontrôlée.
Tourne sur : environ 1014 FLOPS approximatif des milliards d’échantillons de chemins pour un liquide en volume.Depuis : 1984 La simulation par intégrale de chemin de systèmes quantiques à plusieurs corps et de l’hélium superfluide, par Pollock et Ceperley. source
Simulation de circuits stabilisateurs
Un ordinateur classique suit un circuit quantique construit uniquement avec des portes de Clifford, en observant comment évolue une petite table d’opérateurs de Pauli, au lieu de stocker l’état complet. Cela permet d’exécuter des circuits de correction d’erreurs de plusieurs milliers de qubits.
Question à laquelle elle répond: À quelle fréquence un code correcteur d’erreurs échoue-t-il quand chaque porte, chaque mesure et chaque pas d’attente sont bruités ?
Laisse de côté : Seuls les circuits faits d’opérations de Clifford et de mesures de Pauli peuvent être suivis ainsi, si bien que le calcul quantique universel est hors de portée.
Tourne sur : environ 1012 FLOPS approximatif des millions de tirs bruités d’un grand morceau de code sur un cluster de stations de travail.Depuis : 2004 L’algorithme amélioré d’Aaronson et Gottesman pour simuler en temps polynomial des circuits stabilisateurs. source
Décodeurs de correction d’erreurs appris
Un réseau de neurones est entraîné sur des motifs d’erreurs simulés d’un code quantique, pour lire les syndromes mesurés et en déduire quelle correction appliquer.
Question à laquelle elle répond: Un décodeur appris peut-il corriger les erreurs d’une mémoire quantique plus vite ou plus précisément qu’un algorithme conçu à la main ?
Laisse de côté : Le décodeur ne connaît que le modèle de bruit sur lequel il a été entraîné, et le vrai matériel dérive et présente des erreurs corrélées que la simulation n’incluait pas.
Tourne sur : environ 1015 FLOPS approximatif entraînement sur des milliards de syndromes simulés sur des nœuds GPU.Depuis : 2016 Le décodeur neuronal pour codes topologiques de Torlai et Melko (arXiv 2016, publié en 2017). source
Simulation de réseaux quantiques
Des nœuds qui contiennent des qubits, des liens intriqués et des canaux de photons bruités, modélisés comme des événements discrets dans le temps, pour tester des protocoles de partage d’intrication à travers un réseau.
Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse et avec quelle fidélité deux nœuds distants pourraient-ils partager de l’intrication par des répéteurs et une fibre à pertes ?
Laisse de côté : Le bruit matériel est réduit à quelques modèles paramétrés, et il n’existe aucun réseau à grande échelle pour confronter les taux prédits.
Tourne sur : environ 1011 FLOPS approximatif de nombreuses longues exécutions d’un protocole réseau sur un seul serveur.Depuis : 2021 NetSquid de Coopmans et ses collègues, un simulateur à événements discrets pour les réseaux quantiques. source