Física fundamental
Quarks, núcleos, plasmas e matéria quântica: os menores sistemas simulados, e entre os mais caros em computação.
A base da hierarquia. Essas simulações partem da teoria fundamental, o Modelo Padrão e a mecânica quântica, e calculam suas consequências. São as que mais se aproximam de gerar fenômenos físicos a partir de primeiros princípios. Também explicam por que os pisos de matéria mais finos do Sandbox exigem tanta computação.
QCD na rede
Quarks e glúons em uma grade quadridimensional de pontos do espaço-tempo, usados para calcular as massas e as propriedades de prótons, nêutrons e outros hádrons só a partir da força forte.
Pergunta que responde: Qual é a massa de um próton, partindo apenas da teoria?
Deixa de fora: O espaçamento da grade e o tamanho da caixa são compromissos. Os resultados são extrapolados para o contínuo e para o volume infinito, mas nunca chegam a eles.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado uma alocação de supercomputador nacional, semanas de uma grande partição.Desde: 1979 O estudo de Monte Carlo de Creutz da teoria de calibre SU(2) pura na rede, sem quarks; os quarks entraram depois fonteNa árvore de simulações: Monte Carlo em teoria de calibre na rede
Geração de eventos de colisores
Cada colisão próton-próton em um acelerador, do espalhamento duro, passando pelos chuveiros de pártons, até o jato de hádrons que chega ao detector.
Pergunta que responde: Como seriam os dados se uma nova partícula proposta fosse real?
Deixa de fora: Aproxima a interferência quântica entre todos os processos que contribuem mantendo só os dominantes, com parâmetros ajustados para casar com dados passados.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster de computação em grade, processando bilhões de colisões simuladas.Desde: 1982 os primeiros geradores computadorizados de eventos com chuveiros de pártons para a física de colisores.
Resposta do detector
Cada partícula que sai de uma colisão, passada por camadas de silício, calorímetro e ímã, depositando energia pelo caminho.
Pergunta que responde: Que sinais reais o detector vai deixar passar, e quais vai falsificar?
Deixa de fora: Pressupõe que a geometria e a calibração do detector são exatamente as do projeto, quando cabos envelhecidos e danos de radiação as degradam aos poucos.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário ou de computação em grade, milhões de horas de CPU por ano.Desde: 1974 O primeiro código geral de transporte de partículas do CERN para projeto de detectores.
Chuveiros atmosféricos de raios cósmicos
Uma única partícula muito energética vinda do espaço atingindo a atmosfera superior e se desdobrando em bilhões de secundárias na descida.
Pergunta que responde: Que tipo de partícula, vinda de que distância, fez o padrão que nossos detectores em terra viram?
Deixa de fora: Depende de modelos de colisão extrapolados muito além de qualquer energia que um acelerador já testou.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado um pequeno cluster ou estação de trabalho potente, horas por conjunto de chuveiros.Desde: 1961 os primeiros modelos de Monte Carlo de cascatas de partículas de raios cósmicos.
Dinâmica de feixes em aceleradores
Feixes de partículas carregadas circulando por ímãs durante milhões de voltas, empurradas pelos campos e umas pelas outras.
Pergunta que responde: O feixe continua bem focalizado, ou diverge aos poucos e atinge as paredes?
Deixa de fora: Idealiza os ímãs como construídos conforme a especificação, quando os reais têm pequenos erros de fabricação que importam ao longo de milhões de voltas.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, minutos por projeto de rede.Desde: 1959 os primeiros estudos computacionais de rastreamento para os primeiros síncrotrons de focalização forte.
Simulação de detectores de neutrinos
Luz ou carga de um neutrino que interage no fundo de um tanque de água, gelo ou líquido, seguidas ao longo do detector para descobrir como é um evento real.
Pergunta que responde: Que sinal este tipo de neutrino deixaria, e dá para distingui-lo do ruído de fundo?
Deixa de fora: Os cabos, as bolhas e a rocha acima de um detector real acrescentam ruído que nenhuma simulação prevê por completo.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário ou de colaboração, semanas por projeto de detector.Desde: 1987 simulações de detectores construídas para interpretar a explosão de neutrinos da supernova de 1987.
Modelos generativos de chuveiros em calorímetros
Uma rede neural treinada com simulações completas de transporte de partículas que produz os depósitos de energia de um chuveiro em um detector a uma fração mínima do custo.
Pergunta que responde: Um gerador treinado consegue substituir a parte mais lenta da simulação de um detector?
Deixa de fora: Reproduz as estatísticas das execuções de treinamento, não uma física nova, e se desvia fora das energias que viu.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado Treinamento com milhões de eventos completos de chuveiro de partículas, e depois amostragem barataDesde: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) fonte
Amostragem baseada em fluxos para teoria de campo em rede
Um fluxo normalizador treinado propõe configurações inteiras de campo em uma rede, que depois são corrigidas por uma etapa exata de aceitar ou rejeitar, de modo que a resposta continue sem viés.
Pergunta que responde: Amostradores aprendidos conseguem vencer a desaceleração crítica do Monte Carlo comum em rede?
Deixa de fora: Demonstrado sobretudo em teorias de brinquedo de poucas dimensões; o custo de treinamento cresce rápido com o volume da rede.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado Treinamento mais grandes conjuntos de redesDesde: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) fonte
Estrutura nuclear
Prótons e nêutrons ligados em um núcleo, calculados a partir das forças entre eles.
Pergunta que responde: Que isótopos podem existir, afinal, e que formas eles assumem?
Deixa de fora: A força entre nucleons ainda não é conhecida com exatidão, então todo núcleo é calculado a partir de uma aproximação dela.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, dias para um núcleo pesado.Desde: 1965 os primeiros cálculos de diagonalização do modelo de camadas em um mainframe.
Física do núcleo de reatores
Nêutrons nascendo, se espalhando, sendo absorvidos e dividindo núcleos dentro de um reator de potência, acoplados ao calor e ao fluxo do refrigerante.
Pergunta que responde: A reação em cadeia se mantém estável à medida que o combustível se consome?
Deixa de fora: Não consegue captar por completo cada trinca, solda e caminho de escoamento de um reator real envelhecido.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário ou industrial, horas por ciclo do núcleo.Desde: 1948 As primeiras execuções Monte Carlo de nêutrons, de Ulam, von Neumann e Metropolis, no ENIAC.
Transporte de radiação
Partículas atravessando a matéria, uma interação por vez: feixes de radioterapia em um paciente, raios cósmicos no casco de uma espaçonave.
Pergunta que responde: Quanta dose chega ao tumor, e quanta a tudo o que está em volta?
Deixa de fora: Trata o corpo ou o casco como uma geometria fixa, omitindo seu movimento durante a exposição, como a respiração.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho de física hospitalar ou um pequeno cluster, minutos por plano.Desde: 1968 primeiros cálculos de dose por Monte Carlo propostos para o planejamento de radioterapia.
Segurança de criticalidade nuclear
Transporte de nêutrons por Monte Carlo através de material físsil armazenado ou manuseado, verificando que nenhuma reação em cadeia acidental possa começar.
Pergunta que responde: Esse arranjo de material físsil poderia atingir a criticalidade por acidente?
Deixa de fora: Pressupõe que a geometria e o material registrados na declaração correspondem ao que está de fato presente, de modo que o resultado é tão confiável quanto a documentação.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho; de minutos a horas por configuração.Desde: 1957 os primeiros cálculos computadorizados de criticalidade, depois que acidentes em tempo de guerra levaram a regras formais de segurança.
Radioativação e cadeias de decaimento
Materiais expostos a nêutrons ou radiação formando novos isótopos radioativos, que depois decaem em cadeias rumo à estabilidade.
Pergunta que responde: Quão radioativo este material ficará, e por quanto tempo, depois de irradiado?
Deixa de fora: Os dados nucleares de isótopos raros e de vida curta são mais irregulares que os dos comuns, então os caminhos secundários têm mais suposição.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado um laptop; um cálculo completo de cadeia de decaimento leva segundos.Desde: 1962 os primeiros códigos de computador para ativação e decaimento em materiais de reatores.
Neutrônica de mantas de reprodução para fusão
Nêutrons de uma reação de fusão desacelerando na manta ao redor, produzindo o combustível trítio e depositando o calor que moveria uma turbina.
Pergunta que responde: A manta produz trítio suficiente para manter o reator abastecido?
Deixa de fora: Modelado sobre um projeto que ainda não existe em escala plena, então o comportamento essencial do material é extrapolado.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por variante de projeto.Desde: 1980 os primeiros estudos neutrônicos de mantas para reatores de fusão propostos.
Teoria de campo efetiva nuclear em rede
Prótons e nêutrons colocados em uma rede de espaço-tempo e interagindo por uma teoria efetiva quiral, resolvidos por Monte Carlo para dar a estrutura nuclear.
Pergunta que responde: Os estados excitados de núcleos leves, como o estado de Hoyle do carbono-12, podem ser calculados a partir das forças entre núcleons?
Deixa de fora: Limitado a núcleos leves e médios; os problemas de sinal restringem quais sistemas podem ser alcançados.
Roda em: cerca de 1018 FLOPS aproximado Grandes execuções de Monte Carlo em supercomputadores de classe de liderançaDesde: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) fonte
Dinâmica nuclear de campo médio dependente do tempo
Núcleos em colisão e em fissão acompanhados em tempo real, cada núcleon se movendo no campo médio de todos os outros enquanto evolui.
Pergunta que responde: O que acontece com dois núcleos quando se tocam, se fundem ou se afastam?
Deixa de fora: Um campo médio não consegue descrever o tunelamento quântico entre resultados diferentes nem as flutuações que dividem os rendimentos da fissão.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado execuções tridimensionais dependentes do tempo do tipo Skyrme num cluster.Desde: 1976 O cálculo de Hartree-Fock unidimensional dependente do tempo de colisões nucleares, de Bonche, Koonin e Negele. fonte
Dinâmica da massa em forma de macarrão na crosta de estrelas de nêutrons
A camada mais profunda da crosta de uma estrela de nêutrons, onde nêutrons e prótons formam hastes e lâminas, acompanhada com dinâmica molecular para achar sua rigidez e como ela espalha neutrinos.
Pergunta que responde: Que formas a matéria assume na base da crosta de uma estrela de nêutrons?
Deixa de fora: A interação entre nucleons é um potencial simples ajustado, e a caixa é muito menor que uma crosta real.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado dinâmica molecular de dezenas de milhares de núcleons, repetida em várias densidades.Desde: 2004 A dinâmica molecular de matéria não uniforme rica em nêutrons e sua opacidade a neutrinos, de Horowitz, Perez-Garcia e Piekarewicz. fonte
Turbulência em plasma de fusão
Um plasma de hidrogênio mais quente que o núcleo do Sol, confinado por um campo magnético, junto com o transporte turbulento que causa a perda de calor.
Pergunta que responde: Qual precisa ser o tamanho da máquina para que ela produza mais energia do que consome?
Deixa de fora: A turbulência completa em escala de reator ainda é cara demais, então a maioria das execuções simula uma fatia e extrapola.
Roda em: cerca de 1017 FLOPS aproximado um supercomputador nacional, uma grande alocação por semanas.Desde: 1983 os primeiros códigos de turbulência girocinética para plasmas de tokamak.
Plasma partícula-na-célula
Milhões de macropartículas carregadas se movendo por campos elétricos e magnéticos armazenados em uma grade, usadas para lasers que atingem plasma e para aceleração por onda de esteira.
Pergunta que responde: Uma onda de plasma consegue acelerar elétrons em centímetros em vez de quilômetros?
Deixa de fora: Cada partícula simulada representa muitas reais, o que borra a granulação fina de um plasma de verdade.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um grande cluster de GPUs, dias para uma simulação completa de onda de esteira.Desde: 1959 As primeiras simulações eletrostáticas de plasma partícula-em-célula, de Buneman e Dawson.
Equilíbrio e estabilidade de plasmas
A forma completa de um plasma confinado magneticamente, conferida contra a pressão e a corrente que ele consegue sustentar antes de se dobrar, rasgar ou romper.
Pergunta que responde: Esta configuração de plasma vai manter a forma, ou colapsar?
Deixa de fora: As rupturas reais muitas vezes começam em pequenas imperfeições e impurezas que um equilíbrio idealizado não inclui.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, horas por varredura de equilíbrio.Desde: 1958 os primeiros equilíbrios calculados para os primeiros dispositivos de confinamento magnético.
Implosão por confinamento inercial
Uma pequena cápsula de combustível empurrada para dentro por radiação intensa até ficar quente e densa o bastante para fundir, modelada com radiação, hidrodinâmica e plasma em combustão juntos.
Pergunta que responde: O combustível vai comprimir de forma uniforme o bastante para entrar em ignição antes de se desmanchar?
Deixa de fora: Pequenas assimetrias no impulso semeiam instabilidades que quebram a simetria esférica que as execuções mais simples presumem.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um grande cluster ou partição de supercomputador, dias por projeto.Desde: 1972 as primeiras simulações de radiação-hidrodinâmica de cápsulas de combustível acionadas por laser.
Reconexão magnética
Linhas de campo magnético em um plasma se rompendo e se reconectando, convertendo a energia armazenada do campo em calor e partículas rápidas.
Pergunta que responde: Com que rapidez as linhas de campo magnético conseguem de fato se romper e se reconectar?
Deixa de fora: O processo real abrange escalas que vão de órbitas de elétrons a sistemas estelares inteiros, e nenhuma execução cobre tudo de uma vez.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um cluster universitário, dias para um evento de reconexão.Desde: 1963 os primeiros modelos calculados de reconexão de linhas de campo seguindo a teoria de Sweet e Parker.
Processamento industrial com plasma
Íons e espécies reativas em um plasma de baixa temperatura atingindo e corroendo uma superfície, usados para dar forma a materiais com precisão microscópica.
Pergunta que responde: O plasma vai corroer ou revestir a superfície de modo uniforme?
Deixa de fora: A química da superfície na parede ainda é simplificada, muito abaixo do detalhe de uma câmara real contaminada.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho ou pequeno cluster, horas por receita de processo.Desde: 1985 os primeiros modelos computacionais de ataque por plasma para processamento de superfícies.
Aceleração por onda de esteira a laser
Execuções partícula-na-célula de um pulso de laser intenso que impulsiona uma onda de plasma que aprisiona e acelera elétrons ao longo de milímetros.
Pergunta que responde: Como uma onda de plasma pode acelerar elétrons a alta energia em uma distância muito curta?
Deixa de fora: A ionização, a reação de radiação e as imperfeições do laser e do alvo costumam ser idealizadas.
Roda em: cerca de 1018 FLOPS aproximado partícula-em-célula 3D, bilhões de partículas ao longo de muitos períodos de ondaDesde: 2002 Simulações do regime altamente não linear de ondas quebrando (bolhas) (2002) fonte
Otimização da configuração de stellarators
A forma de uma garrafa magnética torcida para plasma de fusão, ajustada por computador até que as órbitas das partículas fiquem confinadas e o equilíbrio seja estável sem corrente impulsionada externamente.
Pergunta que responde: Que forma magnética tridimensional aprisiona melhor um plasma quente?
Deixa de fora: As formas otimizadas são julgadas com base em equilíbrios idealizados; a turbulência e as tolerâncias das bobinas vêm depois e muitas vezes estragam o resultado.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado milhares de cálculos de equilíbrio e de órbitas dentro de um laço de otimização.Desde: 1988 Os estelaradores quase helicoidalmente simétricos calculados por Nuhrenberg e Zille. fonte
Modelagem do pedestal de borda e dos ELMs em tokamaks
A camada de borda íngreme na periferia de um plasma de tokamak e as explosões periódicas que jogam calor na parede, calculadas a partir da estabilidade magnetohidrodinâmica da borda.
Pergunta que responde: Até que ponto a pressão na borda pode subir antes que o plasma entre em erupção?
Deixa de fora: Os limiares de estabilidade são bem previstos, mas a explosão não linear completa, com sua física cinética e de parede, ainda está além da previsão de rotina.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado execuções MHD estendidas não lineares de uma explosão em uma grande alocação.Desde: 2002 O modelo de peeling-ballooning de Snyder e colegas para os modos localizados de borda e o pedestal. fonte
Modelagem de dispositivo completo de tokamak
Modelos de aquecimento, transporte, equilíbrio, borda e parede de um dispositivo de fusão inteiro, acoplados em um único fluxo de trabalho integrado que prevê uma descarga completa.
Pergunta que responde: Dá para prever uma descarga de plasma completa antes de a máquina ser construída?
Deixa de fora: A maioria dos módulos são modelos reduzidos ajustados a máquinas passadas, então as previsões para um novo regime têm grande incerteza.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado módulos reduzidos e de alta fidelidade acoplados rodados para uma descarga completa.Desde: 2015 O pacote de modelagem e análise integrada para o ITER, de Imbeaux e colegas, as primeiras aplicações de um modelo de dados padrão que liga esses módulos. fonte
Simulação de choques sem colisões
Ondas de choque em plasma espacial em que as partículas nunca colidem, com os íons acompanhados individualmente e os elétrons como fluido, de modo que a frente de choque se forma só a partir dos campos.
Pergunta que responde: Como os íons são acelerados em uma onda de choque em que nada colide?
Deixa de fora: Os elétrons são tratados como um fluido e a caixa é um pequeno trecho de um choque, então falta a estrutura em larga escala.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado grandes execuções cinéticas híbridas em duas ou três dimensões.Desde: 1985 As simulações híbridas de ondas de choque perpendiculares sem colisões de alto número de Mach, de Quest. fonte
Simulação de plasma empoeirado e sistemas de Yukawa
Grãos carregados suspensos em um plasma, modelados como partículas que se repelem por um potencial blindado e que congelam em cristais ou derretem em líquidos.
Pergunta que responde: Em que intensidade de acoplamento uma nuvem de grãos carregados cristaliza?
Deixa de fora: O potencial de repulsão blindada substitui o plasma e ignora as esteiras e a carga dos grãos que nuvens reais de poeira apresentam.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado dinâmica molecular de até um milhão de grãos por longos tempos.Desde: 1994 A termodinâmica de sistemas de Yukawa fortemente acoplados a partir de Monte Carlo e dinâmica molecular, de Hamaguchi e Farouki. fonte
Simulação de plasma de um componente
Cargas imersas em um fundo neutralizante uniforme, simuladas para achar a equação de estado e a cristalização da matéria densa dentro de anãs brancas e planetas gigantes.
Pergunta que responde: Em que densidade a matéria estelar densa congela?
Deixa de fora: O fundo uniforme de elétrons substitui os elétrons reais, que são polarizáveis.
Roda em: cerca de 1010 FLOPS aproximado Monte Carlo de dezenas de milhares de íons, modesto para os padrões atuais.Desde: 1966 O estudo de Monte Carlo de um plasma de um componente, de Brush, Sahlin e Teller. fonte
Controle de plasma aprendido em simulação
Um controlador de aprendizado por reforço pratica formar e manter um plasma de tokamak comandando as bobinas magnéticas em uma simulação rápida de seu equilíbrio e evolução, e depois é executado no dispositivo real.
Pergunta que responde: Um controlador aprendido inteiramente em simulação consegue manter um plasma quente em uma forma pedida?
Deixa de fora: O modelo de treinamento deixa de fora a turbulência e as instabilidades rápidas, então o controlador só é confiável dentro das condições que ele capta.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado dias de treinamento em algumas centenas de aceleradores, rodando o modelo de plasma milhões de vezes.Desde: 2022 O controlador de aprendizado por reforço profundo de Degrave e colegas, treinado em simulação e rodado em um tokamak. fonte
Sistemas quânticos de muitos corpos
Muitos elétrons ou spins em interação em uma rede, tratados com redes tensoriais e Monte Carlo quântico porque o estado exato é grande demais para ser armazenado.
Pergunta que responde: Por que alguns materiais são supercondutores, e algum poderia ser à temperatura ambiente?
Deixa de fora: Redes de tensores e Monte Carlo quântico falham em alguns dos sistemas frustrados ou fermiônicos mais interessantes.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um grande cluster ou partição de supercomputador, dias por material.Desde: 1980 O primeiro Monte Carlo quântico preciso do gás de elétrons, de Ceperley e Alder.
Emulação de computador quântico
Um computador clássico que guarda o estado quântico completo de um registrador de qubits e aplica portas sobre ele. A memória dobra a cada qubit adicionado.
Pergunta que responde: Esse algoritmo quântico funciona antes de alguém construir o hardware para rodá-lo?
Deixa de fora: A memória necessária dobra a cada qubit a mais, então só consegue emular os casos pequenos, sem vantagem quântica.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um nó de cluster com muita memória; o custo dobra a cada qubit a mais.Desde: 1996 os primeiros simuladores clássicos de pequenos circuitos quânticos.
Simulação quântica analógica
Um sistema quântico controlável, como átomos ultrafrios em uma rede de luz laser, ajustado para se comportar como outro difícil demais de calcular.
Pergunta que responde: Se um computador clássico não consegue resolver o modelo, é possível fazer um sistema físico controlável resolvê-lo no lugar?
Deixa de fora: Informa apenas sobre o único modelo que ele foi feito para emular, não necessariamente sobre o material real que o motivou.
Roda em: nenhum computador. os próprios átomos computam; um computador de controle apenas registra os resultados.Desde: 2002 A transição de superfluido para isolante de Mott de átomos ultrafrios em uma rede óptica, de Greiner e colegas, depois vista como uma das primeiras simulações quânticas analógicas fonteNa árvore de simulações: Simulador quântico de átomos frios
Correção de erros quânticos
Os qubits de um computador quântico e o ruído que os corrompe, conferidos com um código projetado para detectar e corrigir erros antes que se espalhem.
Pergunta que responde: Esse código de correção de erros realmente protege a computação, dado um ruído realista?
Deixa de fora: O ruído real é correlacionado e deriva com o tempo de modos que os modelos idealizados raramente captam.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado um nó de cluster com muita memória; códigos maiores custam muito mais.Desde: 1996 as primeiras simulações testando os primeiros códigos de correção de erros propostos.
Matéria quântica topológica
Elétrons em uma rede dispostos de modo que seu estado coletivo dependa da forma geral e não de detalhes locais, calculados para achar estados de Hall quântico e outras fases topológicas.
Pergunta que responde: Esse material abriga uma fase da matéria protegida por sua topologia e não por sua simetria?
Deixa de fora: Distinguir um estado genuinamente topológico de um estado comum muito parecido pode depender de uma precisão numérica que a maioria das execuções não alcança.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado um grande cluster ou partição de supercomputador, dias por sistema candidato.Desde: 1988 os primeiros estudos numéricos após a descoberta teórica da ordem topológica.
Dinâmica de gases atômicos ultrafrios
Uma nuvem de átomos resfriada até compartilhar uma única função de onda quântica, evoluída com a equação de campo médio que descreve um condensado de Bose-Einstein.
Pergunta que responde: Como o condensado oscila, se divide ou forma vórtices quando é perturbado?
Deixa de fora: A equação de campo médio deixa de captar as correlações entre átomos individuais que importam perto de uma transição de fase.
Roda em: cerca de 1013 FLOPS aproximado uma estação de trabalho; de minutos a horas por nuvem aprisionada.Desde: 1995 modelagem construída em torno dos primeiros condensados de Bose-Einstein de laboratório.
Simulação quântica digital em hardware
Um computador quântico feito de qubits controláveis executa uma sequência de portas que imita a evolução de outro sistema desse tipo.
Pergunta que responde: Um dispositivo quântico programável consegue reproduzir a dinâmica de um modelo grande demais para a memória clássica?
Deixa de fora: O ruído limita a profundidade, e a aproximação de Trotter introduz o próprio erro.
Roda em: nenhum computador. Hardware quântico, não FLOPS clássicos; verificação em máquinas convencionais só em tamanho pequenoDesde: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) fonte
Teoria de calibre na rede em hardware quântico
Um computador quântico de poucos qubits evolui uma teoria de calibre na rede em tempo real, uma tarefa difícil para o Monte Carlo clássico por causa do problema do sinal.
Pergunta que responde: A dinâmica em tempo real de uma teoria de calibre pode ser executada em um computador quântico?
Deixa de fora: Apenas uma dimensão espacial e um punhado de sítios até agora.
Roda em: nenhum computador. Poucos qubits; o custo clássico de conferir os resultados cresce exponencialmenteDesde: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) fonte
Estados quânticos de redes neurais
Uma rede neural representa a função de onda de um sistema de muitos corpos, e seus parâmetros são ajustados por Monte Carlo variacional para achar estados fundamentais e dinâmica.
Pergunta que responde: Uma rede neural consegue codificar de forma compacta um estado quântico grande demais para ser guardado com exatidão?
Deixa de fora: A precisão depende do desenho da rede, e a otimização pode ficar presa em mínimos ruins.
Roda em: cerca de 1016 FLOPS aproximado Treinamento com Monte Carlo variacional em aceleradoresDesde: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) fonte
Dinâmica de vórtices supercondutores
Os tubos de fluxo magnético que atravessam um supercondutor do tipo II, acompanhados enquanto se movem, se prendem a defeitos e dissipam energia, usando uma teoria de campo dependente do tempo para o estado supercondutor.
Pergunta que responde: Como os vórtices magnéticos se movem e ficam presos dentro de um supercondutor?
Deixa de fora: A teoria de campo fenomenológica ignora o comportamento microscópico dos elétrons e só vale perto da temperatura de transição.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado execuções tridimensionais de Ginzburg-Landau dependentes do tempo num cluster.Desde: 1996 A simulação numérica da dinâmica de vórtices em supercondutores do tipo II, de Gropp e colegas. fonte
Monte Carlo por integrais de caminho de fluidos quânticos
Cada partícula quântica é representada como um anel de cópias ligadas, amostrado em temperatura finita para calcular hélio superfluido e outros líquidos bosônicos só a partir da interação.
Pergunta que responde: Por que o hélio líquido escoa sem atrito abaixo de dois kelvin?
Deixa de fora: Férmions sofrem do problema do sinal, então elétrons e hélio-3 precisam de aproximações que introduzem erro incontrolado.
Roda em: cerca de 1014 FLOPS aproximado bilhões de amostras de caminhos para um líquido em volume.Desde: 1984 A simulação por integrais de caminho de sistemas quânticos de muitos corpos e do hélio superfluido, de Pollock e Ceperley. fonte
Simulação de circuitos estabilizadores
Um computador clássico acompanha um circuito quântico feito só de portas de Clifford, seguindo como muda uma pequena tabela de operadores de Pauli, em vez de guardar o estado completo. Isso permite rodar circuitos de correção de erros com milhares de qubits.
Pergunta que responde: Com que frequência um código corretor de erros falha quando cada porta, medição e passo ocioso tem ruído?
Deixa de fora: Só circuitos feitos de operações de Clifford e medições de Pauli podem ser acompanhados assim, então a computação quântica universal fica fora de alcance.
Roda em: cerca de 1012 FLOPS aproximado milhões de disparos ruidosos de um grande trecho de código em um cluster de estações de trabalho.Desde: 2004 O algoritmo aprimorado de Aaronson e Gottesman para simular circuitos estabilizadores em tempo polinomial. fonte
Decodificadores aprendidos de correção de erros
Uma rede neural é treinada com padrões de erro simulados de um código quântico para ler as síndromes medidas e inferir qual correção aplicar.
Pergunta que responde: Um decodificador aprendido consegue corrigir erros em uma memória quântica mais rápido ou com mais precisão que um algoritmo projetado à mão?
Deixa de fora: O decodificador só conhece o modelo de ruído com que foi treinado, e o hardware real tem deriva e erros correlacionados que a simulação não incluía.
Roda em: cerca de 1015 FLOPS aproximado treinamento com bilhões de síndromes simuladas em nós de GPU.Desde: 2016 O decodificador neural para códigos topológicos de Torlai e Melko (arXiv 2016, publicado em 2017). fonte
Simulação de redes quânticas
Nós que guardam qubits, ligações emaranhadas e canais ruidosos de fótons modelados como eventos discretos no tempo, para que protocolos de compartilhamento de emaranhamento por uma rede possam ser testados.
Pergunta que responde: Com que rapidez e fidelidade dois nós distantes poderiam compartilhar emaranhamento por repetidores e fibra com perdas?
Deixa de fora: O ruído do hardware é reduzido a poucos modelos parametrizados, e não existe nenhuma rede em escala para conferir as taxas previstas.
Roda em: cerca de 1011 FLOPS aproximado muitas execuções longas de um protocolo de rede em um único servidor.Desde: 2021 O NetSquid de Coopmans e colegas, um simulador de eventos discretos para redes quânticas. fonte