Fisika dasar
Kuark, inti, plasma, dan materi kuantum: sistem terkecil yang disimulasikan, dan termasuk yang paling mahal secara komputasi.
Fondasi hierarki ini. Simulasi-simulasi ini bermula dari teori fundamental, Model Standar dan mekanika kuantum, lalu menghitung konsekuensinya. Inilah yang paling dekat dengan menghasilkan fenomena fisik langsung dari prinsip dasar. Simulasi ini juga menjelaskan mengapa dasar materi terhalus di Kotak Pasir memerlukan begitu banyak komputasi.
QCD kisi
Kuark dan gluon pada kisi empat dimensi titik ruang-waktu, dipakai untuk menghitung massa dan sifat proton, neutron, dan hadron lain dari gaya kuat saja.
Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa massa sebuah proton, bermula dari teorinya saja?
Mengabaikan: Jarak kisi dan ukuran kotak adalah kompromi. Hasilnya diekstrapolasi menuju kontinum dan volume tak hingga, tetapi tidak pernah mencapainya.
Berjalan di: sekitar 1017 FLOPS kasar alokasi superkomputer nasional, berminggu-minggu pada partisi besar.Sejak: 1979 Studi Monte Carlo Creutz atas teori gauge kisi SU(2) murni, tanpa kuark; kuark masuk belakangan sumberDi pohon simulasi: Monte Carlo medan tera kisi
Pembangkitan peristiwa tumbukan di akselerator
Setiap tumbukan proton-proton di akselerator, dari hamburan keras melalui hujan parton sampai semburan hadron yang mencapai detektor.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa data jika sebuah partikel baru yang diusulkan itu nyata?
Mengabaikan: Memperkirakan interferensi kuantum antara semua proses yang berkontribusi dengan hanya mempertahankan yang dominan, dengan parameter yang disetel agar cocok dengan data masa lalu.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster komputasi grid, memproses miliaran tumbukan tersimulasi.Sejak: 1982 pembangkit peristiwa hujan parton terkomputerisasi awal untuk fisika akselerator tumbukan.
Respons detektor
Setiap partikel yang meninggalkan tumbukan, dilacak langkah demi langkah melalui lapisan silikon, kalorimeter, dan magnet, meninggalkan energi di sepanjang jalurnya.
Pertanyaan yang dijawabnya: Sinyal nyata mana yang akan terlewat oleh detektor, dan mana yang akan dipalsukannya?
Mengabaikan: Mengasumsikan geometri dan kalibrasi detektor persis seperti dirancang, padahal kabel yang menua dan kerusakan akibat radiasi berangsur menurunkan kualitasnya.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas atau komputasi grid, jutaan jam CPU per tahun.Sejak: 1974 Kode transpor partikel umum pertama CERN untuk desain detektor.
Hujan atmosfer sinar kosmik
Satu partikel yang sangat berenergi dari antariksa menghantam atmosfer atas dan berkaskade menjadi miliaran partikel sekunder dalam perjalanan turun.
Pertanyaan yang dijawabnya: Partikel jenis apa, dari seberapa jauh, yang membuat pola yang dilihat detektor darat kita?
Mengabaikan: Bergantung pada model tumbukan yang diekstrapolasi jauh melampaui energi mana pun yang pernah diuji akselerator.
Berjalan di: sekitar 1014 FLOPS kasar klaster kecil atau workstation bertenaga, beberapa jam per set hujan partikel.Sejak: 1961 model Monte Carlo awal untuk kaskade partikel sinar kosmik.
Dinamika berkas akselerator
Gugusan partikel bermuatan yang berputar melalui magnet selama jutaan putaran, didorong oleh medan dan oleh satu sama lain.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah berkas tetap terfokus rapat, atau perlahan menyebar dan menghantam dinding?
Mengabaikan: Magnet diidealkan sebagai dibuat sesuai spesifikasi, padahal magnet nyata punya galat manufaktur kecil yang berarti selama jutaan putaran.
Berjalan di: sekitar 1013 FLOPS kasar workstation desktop atau klaster kecil, beberapa menit per desain kisi.Sejak: 1959 studi pelacakan komputer awal untuk sinkrotron pemfokus kuat pertama.
Simulasi detektor neutrino
Cahaya atau muatan dari neutrino yang berinteraksi jauh di dalam tangki air, es, atau cairan, dilacak melalui detektor untuk mengetahui seperti apa peristiwa nyata.
Pertanyaan yang dijawabnya: Sinyal apa yang akan ditinggalkan neutrino jenis ini, dan bisakah kita membedakannya dari latar belakang?
Mengabaikan: Kabel, gelembung, dan lapisan batuan di atas detektor sungguhan menambahkan derau yang tidak sepenuhnya diantisipasi simulasi mana pun.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas atau kolaborasi, berminggu-minggu per desain detektor.Sejak: 1987 simulasi detektor yang dibuat untuk menafsirkan ledakan neutrino supernova 1987.
Model hujan kalorimeter generatif
Jaringan saraf yang dilatih pada simulasi transpor partikel penuh dan menghasilkan deposit energi sebuah hujan partikel di detektor hanya dengan sebagian kecil biayanya.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah generator terlatih menggantikan bagian paling lambat dari simulasi detektor?
Mengabaikan: Ia mereproduksi statistik dari proses pelatihan, bukan fisika baru, dan menyimpang di luar energi yang pernah dilihatnya.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar Pelatihan pada jutaan peristiwa hujan partikel penuh, lalu pengambilan sampel yang murahSejak: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) sumber
Pengambilan sampel berbasis aliran untuk teori medan kisi
Aliran normalisasi terlatih mengusulkan seluruh konfigurasi medan pada kisi, yang kemudian dikoreksi oleh langkah terima-atau-tolak yang tepat sehingga jawabannya tetap tak bias.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah pengambil sampel yang dipelajari mengalahkan perlambatan kritis pada Monte Carlo kisi biasa?
Mengabaikan: Didemonstrasikan terutama pada teori mainan berdimensi rendah; biaya pelatihan tumbuh cepat seiring volume kisi.
Berjalan di: sekitar 1017 FLOPS kasar Pelatihan ditambah ansambel kisi besarSejak: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) sumber
Struktur inti
Proton dan neutron terikat dalam inti, dihitung dari gaya di antara mereka.
Pertanyaan yang dijawabnya: Isotop mana yang bisa ada sama sekali, dan bentuk apa yang mereka ambil?
Mengabaikan: Gaya antarnukleon masih belum diketahui dengan pasti, sehingga setiap inti dihitung dari hampiran terhadapnya.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari untuk satu inti berat.Sejak: 1965 perhitungan diagonalisasi model kulit awal di mainframe.
Fisika teras reaktor
Neutron lahir, terhambur, terserap, dan membelah inti di dalam reaktor daya, terkopel dengan panas dan aliran pendingin.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah reaksi berantai tetap stabil saat bahan bakar menyusut?
Mengabaikan: Tidak bisa sepenuhnya menangkap setiap retakan, las, dan jalur aliran dalam reaktor sungguhan yang menua.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas atau industri, beberapa jam per siklus inti.Sejak: 1948 Simulasi Monte Carlo neutron pertama di ENIAC oleh Ulam, von Neumann, dan Metropolis.
Transpor radiasi
Partikel melewati materi, satu interaksi demi satu: berkas radioterapi dalam pasien, sinar kosmik dalam lambung pesawat antariksa.
Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak dosis yang jatuh di tumor, dan berapa banyak di semua yang ada di sekitarnya?
Mengabaikan: Memperlakukan tubuh atau lambung sebagai geometri tetap, tanpa gerakannya selama pemaparan, seperti pernapasan.
Berjalan di: sekitar 1013 FLOPS kasar workstation fisika rumah sakit atau klaster kecil, beberapa menit per rencana.Sejak: 1968 perhitungan dosis Monte Carlo pertama yang diusulkan untuk perencanaan radioterapi.
Keselamatan kekritisan nuklir
Transpor neutron Monte Carlo melalui bahan fisil yang disimpan atau ditangani, memastikan tak ada reaksi berantai tidak sengaja yang bisa dimulai.
Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah susunan bahan fisil ini mencapai kekritisan secara tak sengaja?
Mengabaikan: Mengasumsikan geometri dan material yang tercatat dalam deklarasi cocok dengan yang sebenarnya ada, sehingga hasilnya hanya seandal dokumentasinya.
Berjalan di: sekitar 1013 FLOPS kasar workstation desktop; beberapa menit hingga jam per konfigurasi.Sejak: 1957 perhitungan kekritisan terkomputerisasi awal setelah kecelakaan masa perang mendorong aturan keselamatan formal.
Radioaktivasi dan rantai peluruhan
Material yang terpapar neutron atau radiasi membentuk isotop radioaktif baru, lalu meluruh melalui rantai menuju kestabilan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa radioaktif bahan ini nantinya, dan untuk berapa lama, setelah diiradiasi?
Mengabaikan: Data nuklir untuk isotop langka berumur pendek lebih tambal sulam daripada untuk yang umum, sehingga jalur kecil membawa lebih banyak tebakan.
Berjalan di: sekitar 1012 FLOPS kasar laptop; perhitungan rantai peluruhan penuh memakan waktu beberapa detik.Sejak: 1962 kode komputer awal untuk aktivasi dan peluruhan pada material reaktor.
Neutronika selimut pembiakan fusi
Neutron dari reaksi fusi melambat di selimut sekitarnya, membiakkan bahan bakar tritium dan menyimpan panas yang akan menggerakkan turbin.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah selimut pembiak menghasilkan cukup tritium untuk menjaga reaktor tetap berbahan bakar?
Mengabaikan: Dimodelkan pada rancangan yang belum ada dalam skala penuh, sehingga perilaku material kunci diekstrapolasi.
Berjalan di: sekitar 1014 FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per varian desain.Sejak: 1980 studi neutronika awal untuk selimut reaktor fusi yang diusulkan.
Teori medan efektif kisi nuklir
Proton dan neutron ditempatkan pada kisi ruang-waktu dan berinteraksi lewat teori efektif kiral, diselesaikan dengan Monte Carlo untuk memberi struktur inti.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah keadaan tereksitasi inti ringan, seperti keadaan Hoyle karbon-12, dihitung dari gaya nukleon?
Mengabaikan: Terbatas pada inti ringan dan sedang; masalah tanda membatasi sistem mana yang bisa dijangkau.
Berjalan di: sekitar 1018 FLOPS kasar Simulasi Monte Carlo besar di mesin kelas kepemimpinanSejak: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) sumber
Dinamika medan rata-rata nuklir bergantung waktu
Inti yang bertumbukan dan terbelah diikuti dalam waktu nyata, setiap nukleon bergerak dalam medan rata-rata semua yang lain saat ia berevolusi.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang terjadi pada dua inti atom ketika bersentuhan, berfusi, atau terpental?
Mengabaikan: Medan rata-rata tidak bisa menggambarkan terobosan kuantum antarhasil yang berbeda atau fluktuasi yang membagi hasil fisi.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar simulasi bergantung waktu tipe Skyrme tiga dimensi di sebuah klaster.Sejak: 1976 Perhitungan Hartree-Fock bergantung waktu satu dimensi Bonche, Koonin, dan Negele untuk tumbukan inti. sumber
Dinamika pasta kerak bintang neutron
Lapisan terdalam kerak bintang neutron, tempat neutron dan proton membentuk batang dan lembaran, diikuti dengan dinamika molekuler untuk mengetahui kekakuannya dan cara ia menghamburkan neutrino.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bentuk apa yang diambil materi di dasar kerak bintang neutron?
Mengabaikan: Interaksi nukleon berupa potensial sederhana hasil pencocokan dan kotaknya jauh lebih kecil daripada kerak yang sebenarnya.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar dinamika molekuler puluhan ribu nukleon, diulang di berbagai kerapatan.Sejak: 2004 Dinamika molekuler Horowitz, Perez-Garcia, dan Piekarewicz tentang materi kaya neutron yang tak seragam dan opasitas neutrinonya. sumber
Turbulensi plasma fusi
Plasma hidrogen yang lebih panas daripada inti Matahari, dikurung oleh medan magnet, beserta transpor turbulen yang menyebabkan hilangnya panas.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar mesin itu harus dibuat sebelum ia menghasilkan lebih banyak energi daripada yang ia pakai?
Mengabaikan: Turbulensi penuh pada skala reaktor masih terlalu mahal, sehingga kebanyakan simulasi hanya mensimulasikan satu irisan lalu mengekstrapolasi.
Berjalan di: sekitar 1017 FLOPS kasar superkomputer nasional, alokasi besar selama berminggu-minggu.Sejak: 1983 kode turbulensi giro-kinetik awal untuk plasma tokamak.
Plasma partikel-dalam-sel
Jutaan makropartikel bermuatan bergerak melalui medan listrik dan magnet yang disimpan pada kisi, dipakai untuk laser yang menghantam plasma dan akselerasi wakefield.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah gelombang plasma mempercepat elektron dalam hitungan sentimeter, bukan kilometer?
Mengabaikan: Setiap partikel tersimulasi mewakili banyak partikel nyata, yang mengaburkan kehalusan butiran plasma sungguhan.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar klaster GPU besar, berhari-hari untuk satu simulasi wakefield penuh.Sejak: 1959 Simulasi plasma particle-in-cell elektrostatik pertama oleh Buneman dan Dawson.
Kesetimbangan dan stabilitas plasma
Seluruh bentuk plasma yang terkurung secara magnetik, diperiksa terhadap tekanan dan arus yang sanggup ditopangnya sebelum menekuk, robek, atau mengalami disrupsi.
Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah konfigurasi plasma ini mempertahankan bentuknya, atau runtuh?
Mengabaikan: Gangguan nyata sering bermula dari ketidaksempurnaan kecil dan pengotor yang tidak ada dalam kesetimbangan ideal.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas, beberapa jam per pemindaian kesetimbangan.Sejak: 1958 kesetimbangan hasil hitungan awal untuk perangkat kurungan magnetik pertama.
Implosi kurungan inersia
Kapsul kecil bahan bakar didorong ke dalam oleh radiasi intens sampai cukup panas dan padat untuk berfusi, dimodelkan sebagai radiasi, hidrodinamika, dan plasma yang terbakar sekaligus.
Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah bahan bakar terkompresi cukup merata untuk menyala sebelum meledak sendiri?
Mengabaikan: Asimetri kecil pada penggerak menyemai ketidakstabilan yang merusak simetri bola yang diasumsikan simulasi paling sederhana.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar klaster besar atau partisi superkomputer, berhari-hari per desain.Sejak: 1972 simulasi hidrodinamika radiasi awal untuk kapsul bahan bakar yang digerakkan laser.
Rekoneksi magnetik
Garis medan magnet dalam plasma putus dan tersambung kembali, mengubah energi medan tersimpan menjadi panas dan partikel cepat.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa cepat garis medan magnet sebenarnya bisa putus dan tersambung kembali?
Mengabaikan: Proses nyatanya mencakup skala dari orbit elektron hingga seluruh sistem bintang yang tidak bisa dicakup oleh satu simulasi sekaligus.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari untuk satu peristiwa rekoneksi.Sejak: 1963 model rekoneksi garis medan hasil hitungan awal mengikuti teori Sweet dan Parker.
Pemrosesan plasma industri
Ion dan spesies reaktif dalam plasma bersuhu rendah menghantam dan mengikis permukaan, dipakai untuk membentuk material dengan ketelitian mikroskopis.
Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah plasma mengetsa atau melapisi permukaan secara merata?
Mengabaikan: Kimia permukaan di dinding masih disederhanakan jauh di bawah detail yang dimiliki bilik tercemar yang sebenarnya.
Berjalan di: sekitar 1013 FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per resep proses.Sejak: 1985 model komputer awal untuk etsa plasma bagi pengolahan permukaan.
Akselerasi wakefield laser
Simulasi partikel-dalam-sel dari denyut laser intens yang menggerakkan gelombang plasma yang menjebak dan mempercepat elektron sejauh milimeter.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana gelombang plasma bisa mempercepat elektron ke energi tinggi dalam jarak yang sangat pendek?
Mengabaikan: Ionisasi, reaksi radiasi, dan ketidaksempurnaan sasaran laser biasanya diidealkan.
Berjalan di: sekitar 1018 FLOPS kasar particle-in-cell 3D, miliaran partikel selama banyak periode gelombangSejak: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) sumber
Optimasi konfigurasi stellarator
Bentuk botol magnetik terpilin untuk plasma fusi, disetel oleh komputer sampai orbit partikel tetap terkurung dan kesetimbangan stabil tanpa arus yang didorong.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bentuk magnetik tiga dimensi apa yang paling baik memerangkap plasma panas?
Mengabaikan: Bentuk yang dioptimalkan dinilai pada kesetimbangan ideal; turbulensi dan toleransi kumparan datang kemudian dan sering merusak hasilnya.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar ribuan perhitungan kesetimbangan dan orbit di dalam lingkaran optimasi.Sejak: 1988 Stellarator simetris kuasi-heliks yang dihitung oleh Nuhrenberg dan Zille. sumber
Pemodelan pedestal tepi tokamak dan ELM
Lapisan bertepi curam di pinggir plasma tokamak dan letupan berkala yang melemparkan panas ke dinding, dihitung dari kestabilan magnetohidrodinamik tepi.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa tinggi tekanan tepi bisa naik sebelum plasma meletus?
Mengabaikan: Ambang kestabilan diprediksi dengan baik, tetapi ledakan nonlinier penuh, dengan fisika kinetik dan dindingnya, masih di luar jangkauan peramalan rutin.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar simulasi MHD diperluas nonlinier untuk satu semburan pada alokasi besar.Sejak: 2002 Model peeling-ballooning Snyder dan rekan untuk mode lokal tepi dan pedestal. sumber
Pemodelan seluruh perangkat tokamak
Model pemanasan, transpor, kesetimbangan, tepi, dan dinding untuk seluruh perangkat fusi digabung dalam satu alur kerja terpadu yang memprediksi satu pelepasan penuh.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah satu pelepasan plasma lengkap diprediksi sebelum mesinnya dibangun?
Mengabaikan: Sebagian besar modul adalah model tereduksi yang disetel pada mesin masa lalu, sehingga prediksi untuk rezim baru membawa ketidakpastian yang lebar.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar modul tereduksi dan berfidelitas tinggi yang berpasangan, dijalankan untuk satu pelepasan penuh.Sejak: 2015 Imbeaux dan rekan, rangkaian pemodelan dan analisis terpadu untuk ITER, penerapan pertama model data standar yang menghubungkan modul-modul semacam itu. sumber
Simulasi kejut tanpa tumbukan
Gelombang kejut dalam plasma antariksa tempat partikel tak pernah bertumbukan, dengan ion diikuti satu per satu dan elektron sebagai fluida sehingga muka kejut terbentuk dari medan saja.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana ion dipercepat di gelombang kejut tempat tidak ada yang bertumbukan?
Mengabaikan: Elektron diperlakukan sebagai fluida dan kotaknya adalah petak kecil dari gelombang kejut, sehingga struktur skala besar tidak ada.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar simulasi kinetik hibrida besar dalam dua atau tiga dimensi.Sejak: 1985 Simulasi hibrida Quest tentang gelombang kejut tegak lurus tanpa tumbukan berbilangan Mach tinggi. sumber
Simulasi plasma berdebu dan sistem Yukawa
Butiran bermuatan yang tersuspensi dalam plasma, dimodelkan sebagai partikel yang saling tolak lewat potensial yang tersaring, membeku menjadi kristal atau mencair menjadi cairan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Pada kekuatan kopling berapa awan butiran bermuatan mengristal?
Mengabaikan: Potensial tolakan tersaring menggantikan plasma dan mengabaikan jejak dan pengisian muatan butir yang ditunjukkan awan debu nyata.
Berjalan di: sekitar 1012 FLOPS kasar dinamika molekuler hingga sejuta butir dalam waktu panjang.Sejak: 1994 Termodinamika sistem Yukawa berkopling kuat dari Monte Carlo dan dinamika molekuler oleh Hamaguchi dan Farouki. sumber
Simulasi plasma satu komponen
Muatan yang terendam dalam latar penetral yang seragam, disimulasikan untuk mencari persamaan keadaan dan kristalisasi materi padat di dalam katai putih dan planet raksasa.
Pertanyaan yang dijawabnya: Pada kepadatan berapa materi bintang yang padat membeku?
Mengabaikan: Latar elektron seragam mewakili elektron nyata yang bisa terpolarisasi.
Berjalan di: sekitar 1010 FLOPS kasar Monte Carlo puluhan ribu ion, sederhana menurut standar modern.Sejak: 1966 Studi Monte Carlo plasma satu komponen oleh Brush, Sahlin, dan Teller. sumber
Kendali plasma terlatih dalam simulasi
Pengendali pembelajaran penguatan berlatih membentuk dan menahan plasma tokamak dengan memerintahkan kumparan magnet dalam simulasi cepat keseimbangan dan evolusinya, lalu dijalankan pada perangkat sungguhan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah pengendali yang dipelajari sepenuhnya dalam simulasi menahan plasma panas dalam bentuk yang diminta?
Mengabaikan: Model pelatihan tidak memuat turbulensi dan ketidakstabilan cepat, sehingga pengendali hanya dipercaya di dalam kondisi yang ditangkapnya.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar berhari-hari pelatihan di beberapa ratus akselerator, menjalankan model plasma jutaan kali.Sejak: 2022 Pengendali pembelajaran penguatan mendalam milik Degrave dan rekan-rekannya, dilatih dalam simulasi dan dijalankan pada tokamak. sumber
Sistem banyak benda kuantum
Banyak elektron atau spin yang berinteraksi di atas kisi, ditangani dengan jaringan tensor dan Monte Carlo kuantum karena keadaan eksaknya terlalu besar untuk disimpan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa sebagian material menjadi superkonduktor, dan mungkinkah ada yang melakukannya pada suhu ruang?
Mengabaikan: Jaringan tensor dan Monte Carlo kuantum sama-sama gagal pada beberapa sistem terfrustrasi atau fermionik yang paling menarik.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar klaster besar atau partisi superkomputer, berhari-hari per material.Sejak: 1980 Monte Carlo kuantum akurat pertama Ceperley dan Alder untuk gas elektron.
Emulasi komputer kuantum
Komputer klasik menyimpan seluruh keadaan kuantum dari sebuah register qubit dan menerapkan gerbang padanya. Memori berlipat dua setiap kali satu qubit ditambahkan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah algoritma kuantum ini bekerja sebelum ada yang membangun perangkat keras untuk menjalankannya?
Mengabaikan: Memori yang dibutuhkan berlipat ganda untuk setiap kubit tambahan, sehingga hanya bisa meniru kasus kecil tanpa keunggulan kuantum.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar simpul klaster yang banyak memakai memori; biayanya berlipat dua untuk setiap qubit tambahan.Sejak: 1996 simulator klasik awal untuk sirkuit kuantum kecil.
Simulasi kuantum analog
Satu sistem kuantum yang bisa dikendalikan, seperti atom ultradingin dalam kisi cahaya laser, disetel agar berperilaku seperti sistem lain yang terlalu sulit dihitung.
Pertanyaan yang dijawabnya: Jika komputer klasik tidak bisa menyelesaikan model itu, bisakah sistem fisik yang dapat dikendalikan dibuat untuk mengerjakannya?
Mengabaikan: Hanya memberi tahu kita tentang satu model yang dibuat untuk ditirunya, belum tentu tentang material nyata yang melatarbelakanginya.
Berjalan di: tanpa komputer. atom-atomnya sendiri yang menghitung; komputer kendali hanya mencatat hasil.Sejak: 2002 Transisi superfluida ke isolator Mott pada atom ultradingin dalam kisi optik oleh Greiner dan rekan, yang kemudian dibaca sebagai simulasi kuantum analog awal sumberDi pohon simulasi: Simulator kuantum atom dingin
Koreksi galat kuantum
Qubit komputer kuantum dan derau yang merusaknya, diperiksa terhadap kode yang dirancang untuk mendeteksi dan memperbaiki galat sebelum menyebar.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah kode koreksi galat ini benar-benar melindungi komputasi, dengan derau yang realistis?
Mengabaikan: Derau nyata berkorelasi dan menyimpang seiring waktu dengan cara yang jarang ditangkap model ideal.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar simpul klaster yang banyak memakai memori; kode yang lebih besar jauh lebih mahal.Sejak: 1996 simulasi awal yang menguji kode koreksi galat pertama yang diusulkan.
Materi kuantum topologis
Elektron pada kisi yang disusun sehingga keadaan kolektifnya bergantung pada bentuk keseluruhannya, bukan detail lokal, dihitung untuk menemukan keadaan Hall kuantum dan fase topologis lain.
Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah material ini menampung fase materi yang dilindungi oleh topologinya, bukan simetrinya?
Mengabaikan: Membedakan keadaan topologis yang sejati dari keadaan biasa yang sangat mirip bisa bergantung pada presisi numerik yang tidak bisa dicapai kebanyakan simulasi.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar klaster besar atau partisi superkomputer, berhari-hari per sistem kandidat.Sejak: 1988 studi numerik awal setelah penemuan teoretis tatanan topologis.
Dinamika gas atom ultradingin
Awan atom yang didinginkan sampai berbagi satu fungsi gelombang kuantum, dievolusikan dengan persamaan medan rata-rata yang menggambarkan kondensat Bose-Einstein.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana kondensat berosilasi, terbelah, atau membentuk pusaran ketika diganggu?
Mengabaikan: Persamaan medan rata-rata melewatkan korelasi atom individual yang penting di dekat transisi fasa.
Berjalan di: sekitar 1013 FLOPS kasar workstation; beberapa menit hingga jam per awan terperangkap.Sejak: 1995 pemodelan yang dibangun di sekitar kondensat Bose-Einstein laboratorium pertama.
Simulasi kuantum digital pada perangkat keras
Komputer kuantum yang dibangun dari qubit yang bisa dikendalikan menjalankan serangkaian gerbang yang meniru evolusi sistem lain yang serupa.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah perangkat kuantum yang dapat diprogram mereproduksi dinamika model yang terlalu besar bagi memori klasik?
Mengabaikan: Derau membatasi kedalaman, dan pendekatan Trotter menimbulkan galatnya sendiri.
Berjalan di: tanpa komputer. Perangkat keras kuantum, bukan FLOPS klasik; verifikasi pada mesin konvensional hanya pada ukuran kecilSejak: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) sumber
Teori gauge kisi pada perangkat keras kuantum
Komputer kuantum dengan beberapa qubit mengevolusikan teori gauge kisi dalam waktu nyata, tugas yang sulit bagi Monte Carlo klasik karena masalah tanda.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah dinamika waktu nyata sebuah teori gauge dijalankan di komputer kuantum?
Mengabaikan: Baru satu dimensi ruang dan segelintir situs.
Berjalan di: tanpa komputer. Jumlah kubit kecil; biaya klasik untuk memeriksa silang tumbuh secara eksponensialSejak: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) sumber
Keadaan kuantum jaringan saraf
Jaringan saraf merepresentasikan fungsi gelombang sistem banyak benda, dan parameternya disetel dengan Monte Carlo variasional untuk menemukan keadaan dasar dan dinamika.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah jaringan saraf menyandikan secara ringkas keadaan kuantum yang terlalu besar untuk disimpan persis?
Mengabaikan: Akurasinya bergantung pada rancangan jaringan, dan optimasinya bisa macet pada minimum yang buruk.
Berjalan di: sekitar 1016 FLOPS kasar Pelatihan dengan Monte Carlo variasional di akseleratorSejak: 2016 Menyelesaikan masalah banyak-benda kuantum dengan jaringan saraf tiruan (2016) sumber
Dinamika vorteks superkonduktor
Tabung fluks magnetik yang menembus superkonduktor tipe-II, diikuti saat bergerak, tersangkut pada cacat, dan menghamburkan energi, dengan teori medan bergantung waktu untuk keadaan superkonduktor.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana pusaran magnetik bergerak dan tersangkut di dalam superkonduktor?
Mengabaikan: Teori medan fenomenologis mengabaikan perilaku elektron mikroskopis dan hanya berlaku di dekat suhu transisi.
Berjalan di: sekitar 1014 FLOPS kasar simulasi Ginzburg-Landau bergantung waktu tiga dimensi di sebuah klaster.Sejak: 1996 Simulasi numerik Gropp dan rekan tentang dinamika pusaran pada superkonduktor tipe-II. sumber
Monte Carlo integral lintasan untuk fluida kuantum
Setiap partikel kuantum direpresentasikan sebagai cincin salinan yang terhubung, diambil sampelnya pada suhu terhingga untuk menghitung helium superfluida dan cairan bosonik lain dari interaksinya saja.
Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa helium cair mengalir tanpa gesekan di bawah dua kelvin?
Mengabaikan: Fermion menderita masalah tanda, sehingga elektron dan helium-3 butuh aproksimasi yang memasukkan galat tak terkendali.
Berjalan di: sekitar 1014 FLOPS kasar miliaran sampel lintasan untuk cairan curah.Sejak: 1984 Simulasi integral lintasan sistem banyak benda kuantum dan helium superfluida oleh Pollock dan Ceperley. sumber
Simulasi rangkaian stabilizer
Komputer klasik melacak sirkuit kuantum yang hanya terdiri dari gerbang Clifford dengan mengikuti perubahan sebuah tabel kecil operator Pauli, bukan menyimpan seluruh keadaan. Dengan cara ini, sirkuit koreksi galat dengan ribuan qubit bisa dijalankan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa sering kode pengoreksi galat gagal ketika setiap gerbang, pengukuran, dan langkah jeda mengandung derau?
Mengabaikan: Hanya sirkuit yang tersusun dari operasi Clifford dan pengukuran Pauli yang bisa dilacak dengan cara ini, sehingga komputasi kuantum universal di luar jangkauan.
Berjalan di: sekitar 1012 FLOPS kasar jutaan shot berderau dari satu petak kode besar di klaster workstation.Sejak: 2004 Algoritma yang disempurnakan oleh Aaronson dan Gottesman untuk mensimulasikan sirkuit penstabil dalam waktu polinomial. sumber
Pendekode koreksi galat terlatih
Jaringan saraf dilatih pada pola galat tersimulasi dari kode kuantum untuk membaca sindrom yang terukur dan menyimpulkan koreksi mana yang harus diterapkan.
Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah dekoder yang dipelajari memperbaiki galat pada memori kuantum lebih cepat atau lebih akurat daripada algoritma rancangan tangan?
Mengabaikan: Dekoder hanya mengenal model derau yang dipakai melatihnya, dan perangkat keras nyata bergeser serta punya galat berkorelasi yang tidak ada dalam simulasi.
Berjalan di: sekitar 1015 FLOPS kasar pelatihan pada miliaran sindrom simulasi di simpul GPU.Sejak: 2016 Dekoder saraf Torlai dan Melko untuk kode topologis (arXiv 2016, terbit 2017). sumber
Simulasi jaringan kuantum
Simpul berisi qubit, tautan terikat, dan kanal foton berderau dimodelkan sebagai peristiwa diskret dalam waktu, sehingga protokol berbagi keterikatan lintas jaringan bisa diuji.
Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa cepat dan seberapa setia dua simpul yang berjauhan bisa berbagi keterikatan lewat repeater dan serat yang melemahkan sinyal?
Mengabaikan: Derau perangkat keras dikurangi menjadi beberapa model berparameter, dan belum ada jaringan berskala besar untuk memeriksa laju yang diprediksi.
Berjalan di: sekitar 1011 FLOPS kasar banyak simulasi panjang protokol jaringan pada satu server.Sejak: 2021 NetSquid oleh Coopmans dan rekan-rekannya, simulator peristiwa diskret untuk jaringan kuantum. sumber