Фундаментальная физика
Кварки, ядра, плазма и квантовая материя: самые малые из симулируемых систем и одни из самых затратных по вычислениям.
Основание иерархии. Эти симуляции исходят из фундаментальной теории, Стандартной модели и квантовой механики, и вычисляют её следствия. Они ближе всего к тому, чтобы порождать физические явления из первых принципов. Они же объясняют, почему самые тонкие уровни материи в Песочнице требуют столько вычислений.
Решёточная КХД
Кварки и глюоны на четырёхмерной решётке точек пространства-времени. По ним вычисляют массы и свойства протонов, нейтронов и других адронов, исходя только из сильного взаимодействия.
Вопрос, на который отвечает: Какова масса протона, если исходить только из теории?
Не учитывает: Шаг сетки и размер расчётного объёма — компромиссы. Результаты экстраполируют к континууму и бесконечному объёму, но никогда их не достигают.
Работает на: около 1017 FLOPS приблизительно квота национального суперкомпьютера, недели на большом разделе.С: 1979 Исследование Монте-Карло чистой решёточной калибровочной теории SU(2) Кройца, без кварков; кварки появились позже источникВ дереве симуляций: Монте-Карло на решётке для калибровочных полей
Генерация событий на коллайдерах
Каждое столкновение протонов в ускорителе, от жёсткого рассеяния через партонные ливни до струи адронов, достигающей детектора.
Вопрос, на который отвечает: Как выглядели бы данные, если бы предложенная новая частица была настоящей?
Не учитывает: Приближённо учитывает квантовую интерференцию всех вносящих вклад процессов, оставляя только главные; параметры подобраны под прошлые данные.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно кластер грид-вычислений, обрабатывающий миллиарды смоделированных столкновений.С: 1982 первые компьютерные генераторы событий с партонными ливнями для физики коллайдеров.
Отклик детектора
Каждая частица, вылетающая из столкновения, проходит по шагам слои кремния, калориметр и магнит, отдавая энергию по пути.
Вопрос, на который отвечает: Какие настоящие сигналы детектор пропустит, а какие подделает?
Не учитывает: Предполагает, что геометрия и калибровка детектора точно такие, как задумано, тогда как стареющие кабели и радиационные повреждения постепенно их ухудшают.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский кластер или кластер грид-вычислений, миллионы процессорных часов в год.С: 1974 Первый общий код переноса частиц в ЦЕРН для проектирования детекторов.
Атмосферные ливни космических лучей
Одна очень энергичная частица из космоса попадает в верхнюю атмосферу и по пути вниз порождает миллиарды вторичных.
Вопрос, на который отвечает: Какая частица и с какого расстояния создала картину, которую увидели наши наземные детекторы?
Не учитывает: Опирается на модели столкновений, экстраполированные далеко за любые энергии, проверенные на ускорителях.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно небольшой кластер или мощная рабочая станция, часы на набор ливней.С: 1961 первые модели Монте-Карло каскадов частиц космических лучей.
Динамика пучков в ускорителях
Сгустки заряженных частиц кружат через магниты миллионы оборотов, подталкиваемые полями и друг другом.
Вопрос, на который отвечает: Остаётся ли пучок сфокусированным, или он постепенно расходится и бьёт по стенкам?
Не учитывает: Магниты считаются изготовленными точно по спецификации, хотя у настоящих есть небольшие производственные ошибки, которые важны за миллионы оборотов.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольная рабочая станция или небольшой кластер, минуты на проект решётки.С: 1959 первые компьютерные исследования траекторий для первых синхротронов с жёсткой фокусировкой.
Симуляция нейтринного детектора
Свет или заряд от взаимодействия нейтрино глубоко в резервуаре с водой, льдом или жидкостью прослеживают сквозь детектор, чтобы понять, как выглядит настоящее событие.
Вопрос, на который отвечает: Какой сигнал оставит такое нейтрино и можно ли отличить его от фона?
Не учитывает: Кабели, пузырьки и толща породы над настоящим детектором добавляют шум, который не предвидит ни одна симуляция.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно кластер университета или коллаборации, недели на проект детектора.С: 1987 симуляции детекторов, созданные для истолкования всплеска нейтрино сверхновой 1987 года.
Генеративные модели ливней в калориметре
Нейронная сеть, обученная на полных расчётах переноса частиц, выдаёт энерговыделение ливня в детекторе за малую долю стоимости.
Вопрос, на который отвечает: Может ли обученный генератор заменить самую медленную часть симуляции детектора?
Не учитывает: Она воспроизводит статистику обучающих расчётов, а не новую физику, и сбивается за пределами уже виденных энергий.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно Обучение на миллионах полных событий ливней, затем дешёвая выборкаС: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) источник
Выборка на основе потоков для решёточной теории поля
Обученный нормализующий поток предлагает целые конфигурации поля на решётке, которые затем корректирует точный шаг «принять или отвергнуть», так что результат остаётся несмещённым.
Вопрос, на который отвечает: Могут ли обученные сэмплеры победить критическое замедление обычного метода Монте-Карло на решётке?
Не учитывает: Показано в основном на низкоразмерных игрушечных теориях; стоимость обучения быстро растёт с объёмом решётки.
Работает на: около 1017 FLOPS приблизительно Обучение и большие ансамбли решётокС: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) источник
Структура ядра
Протоны и нейтроны, связанные в ядре, рассчитываются по силам между ними.
Вопрос, на который отвечает: Какие изотопы вообще могут существовать и какие формы они принимают?
Не учитывает: Сила между нуклонами до сих пор точно не известна, поэтому каждое ядро считают по её приближению.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на одно тяжёлое ядро.С: 1965 первые расчёты диагонализации оболочечной модели на мэйнфрейме.
Физика активной зоны реактора
Нейтроны рождаются, рассеиваются, поглощаются и раскалывают ядра внутри энергетического реактора. Это связано с теплом и потоком теплоносителя.
Вопрос, на который отвечает: Остаётся ли цепная реакция стабильной по мере выгорания топлива?
Не учитывает: Не может полностью описать каждую трещину, каждый шов и каждый путь потока в стареющем настоящем реакторе.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский или промышленный кластер, часы на цикл активной зоны.С: 1948 Первые прогоны нейтронов методом Монте-Карло на ENIAC, Улам, фон Нейман и Метрополис.
Перенос излучения
Частицы проходят сквозь вещество, взаимодействие за взаимодействием: пучки лучевой терапии в пациенте, космические лучи в корпусе космического аппарата.
Вопрос, на который отвечает: Какая доза приходится на опухоль и какая на всё вокруг?
Не учитывает: Тело или корпус считается неподвижной геометрией, и его движение во время облучения, например дыхание, опускается.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно физическая рабочая станция больницы или небольшой кластер, минуты на план.С: 1968 первые расчёты дозы методом Монте-Карло, предложенные для планирования лучевой терапии.
Ядерная критическая безопасность
Перенос нейтронов методом Монте-Карло через хранимые или перемещаемые делящиеся материалы, чтобы убедиться, что случайная цепная реакция не начнётся.
Вопрос, на который отвечает: Может ли это расположение делящегося материала случайно стать критическим?
Не учитывает: Предполагает, что геометрия и материал, записанные в декларации, совпадают с реально имеющимися, так что результат надёжен лишь настолько, насколько надёжна документация.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно настольная рабочая станция; от минут до часов на конфигурацию.С: 1957 первые компьютерные расчёты критичности после аварий военного времени, которые привели к формальным правилам безопасности.
Радиоактивация и цепочки распада
Материалы, подвергнутые нейтронам или излучению, накапливают новые радиоактивные изотопы, а затем распадаются по цепочкам к устойчивости.
Вопрос, на который отвечает: Насколько радиоактивным станет этот материал после облучения и как надолго?
Не учитывает: Ядерные данные для редких короткоживущих изотопов скуднее, чем для обычных, поэтому в побочных путях больше догадок.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно ноутбук; полный расчёт цепочки распада занимает секунды.С: 1962 первые компьютерные коды активации и распада в материалах реакторов.
Нейтроника бридингового бланкета термоядерного реактора
Нейтроны от термоядерной реакции замедляются в окружающем бланкете, нарабатывают тритиевое топливо и выделяют тепло, которое вращало бы турбину.
Вопрос, на который отвечает: Воспроизводит ли бланкет достаточно трития, чтобы реактор не остался без топлива?
Не учитывает: Смоделировано по проекту, которого в полном масштабе ещё нет, поэтому ключевое поведение материалов экстраполируется.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на вариант проекта.С: 1980 первые нейтронные исследования бланкетов предлагаемых термоядерных реакторов.
Решёточная эффективная теория поля для ядер
Протоны и нейтроны помещают на решётку в пространстве-времени, и они взаимодействуют по киральной эффективной теории. Решают методом Монте-Карло, чтобы получить структуру ядра.
Вопрос, на который отвечает: Можно ли вычислить возбуждённые состояния лёгких ядер, например состояние Хойла углерода-12, по силам между нуклонами?
Не учитывает: Ограничена лёгкими и средними ядрами; проблемы знака ограничивают, до каких систем можно дойти.
Работает на: около 1018 FLOPS приблизительно Большие расчёты Монте-Карло на ведущих машинахС: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) источник
Нестационарная ядерная динамика среднего поля
Сталкивающиеся и делящиеся ядра прослеживаются в реальном времени: каждый нуклон по мере эволюции движется в среднем поле всех остальных.
Вопрос, на который отвечает: Что происходит с двумя ядрами, когда они касаются, сливаются или отскакивают?
Не учитывает: Среднее поле не описывает квантовое туннелирование между разными исходами и флуктуации, которые делят выходы деления.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно трёхмерные нестационарные прогоны типа Скирма на кластере.С: 1976 Одномерный нестационарный расчёт Хартри — Фока для ядерных столкновений Бонша, Кунина и Негеле. источник
Динамика «пасты» в коре нейтронной звезды
Самый глубокий слой коры нейтронной звезды, где нейтроны и протоны образуют стержни и пласты, прослеживают молекулярной динамикой, чтобы найти его жёсткость и то, как он рассеивает нейтрино.
Вопрос, на который отвечает: Какие формы принимает вещество у основания коры нейтронной звезды?
Не учитывает: Взаимодействие нуклонов — простой подогнанный потенциал, а расчётная ячейка намного меньше настоящей коры.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно молекулярная динамика десятков тысяч нуклонов, повторённая для разных плотностей.С: 2004 Молекулярная динамика неоднородной нейтронно-обогащённой материи и её нейтринной непрозрачности, Horowitz, Perez-Garcia и Piekarewicz. источник
Турбулентность термоядерной плазмы
Водородная плазма горячее ядра Солнца, удерживаемая магнитным полем, вместе с турбулентным переносом, который уносит тепло.
Вопрос, на который отвечает: Насколько большой должна быть установка, чтобы вырабатывать больше энергии, чем потребляет?
Не учитывает: Полная турбулентность в масштабе реактора по-прежнему слишком дорога, поэтому большинство расчётов моделируют срез и экстраполируют.
Работает на: около 1017 FLOPS приблизительно национальный суперкомпьютер, большая квота на недели.С: 1983 первые гирокинетические коды турбулентности для плазмы токамаков.
Плазма методом частиц в ячейках
Миллионы заряженных макрочастиц движутся в электрических и магнитных полях, хранящихся на сетке. Так считают лазеры, бьющие по плазме, и кильватерное ускорение.
Вопрос, на который отвечает: Может ли плазменная волна разгонять электроны на сантиметрах вместо километров?
Не учитывает: Каждая смоделированная частица заменяет многие настоящие, что размывает мелкую зернистость настоящей плазмы.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно большой кластер видеокарт, дни на полный запуск кильватерного поля.С: 1959 Первые электростатические расчёты плазмы методом «частица в ячейке» Бунемана и Доусона.
Равновесие и устойчивость плазмы
Всю форму магнитно удерживаемой плазмы проверяют по давлению и току, которые она выдержит до того, как изогнётся, порвётся или сорвётся.
Вопрос, на который отвечает: Удержит ли эта конфигурация плазмы форму или схлопнется?
Не учитывает: Настоящие срывы часто начинаются с мелких несовершенств и примесей, которых нет в идеализированном равновесии.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский кластер, часы на сканирование равновесия.С: 1958 первые вычисленные равновесия для первых установок магнитного удержания.
Имплозия при инерциальном удержании
Небольшая капсула с топливом сжимается внутрь интенсивным излучением, пока не станет достаточно горячей и плотной для синтеза; модель объединяет излучение, гидродинамику и горящую плазму.
Вопрос, на который отвечает: Сожмётся ли топливо достаточно ровно, чтобы воспламениться, пока оно не разлетелось?
Не учитывает: Крошечные асимметрии в приводе задают неустойчивости, нарушающие сферическую симметрию, которую предполагают простейшие прогоны.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно большой кластер или раздел суперкомпьютера, дни на проект.С: 1972 первые радиационно-гидродинамические симуляции капсул топлива, обжигаемых лазером.
Магнитное пересоединение
Силовые линии магнитного поля в плазме рвутся и смыкаются снова, превращая запасённую энергию поля в тепло и быстрые частицы.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро на самом деле могут рваться и пересоединяться силовые линии магнитного поля?
Не учитывает: Настоящий процесс охватывает масштабы от орбит электронов до целых звёздных систем, и ни один прогон не покрывает их одновременно.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на одно событие пересоединения.С: 1963 первые вычисленные модели пересоединения силовых линий по теории Свита и Паркера.
Промышленная плазменная обработка
Ионы и реакционноспособные частицы в низкотемпературной плазме бьют по поверхности и травят её. Так придают материалам форму с микроскопической точностью.
Вопрос, на который отвечает: Будет ли плазма равномерно травить или покрывать поверхность?
Не учитывает: Химия на стенке по-прежнему упрощена, намного грубее, чем в настоящей загрязнённой камере.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на технологический рецепт.С: 1985 первые компьютерные модели плазменного травления для обработки поверхностей.
Кильватерное ускорение лазерным полем
Расчёты частиц в ячейках для мощного лазерного импульса, который возбуждает плазменную волну, захватывающую и ускоряющую электроны на миллиметрах.
Вопрос, на который отвечает: Как плазменная волна может разогнать электроны до высокой энергии на очень коротком расстоянии?
Не учитывает: Ионизацию, радиационное торможение и несовершенство лазера и мишени обычно идеализируют.
Работает на: около 1018 FLOPS приблизительно трёхмерная модель «частица в ячейке»: миллиарды частиц на протяжении многих периодов волныС: 2002 Highly non-linear broken-wave (bubble) regime simulations (2002) источник
Оптимизация конфигураций стеллараторов
Форма закрученной магнитной бутылки для термоядерной плазмы, подстраиваемая на компьютере, пока орбиты частиц не окажутся удержанными, а равновесие устойчивым без управляемого тока.
Вопрос, на который отвечает: Какая трёхмерная магнитная форма лучше всего удерживает горячую плазму?
Не учитывает: Оптимизированные формы оценивают по идеализированным равновесиям; турбулентность и допуски катушек учитывают позже, и они часто портят результат.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно тысячи расчётов равновесия и орбит внутри цикла оптимизации.С: 1988 Расчёт квазиспирально-симметричных стеллараторов, Nuhrenberg и Zille. источник
Моделирование краевого пьедестала и ELM в токамаке
Слой с крутым краем на периферии плазмы токамака и периодические вспышки, сбрасывающие тепло на стенку, рассчитывают по магнитогидродинамической устойчивости края.
Вопрос, на который отвечает: Как высоко может подняться давление на краю, прежде чем плазма взорвётся?
Не учитывает: Пороги устойчивости предсказываются хорошо, но весь нелинейный выброс с его кинетикой и физикой стенки пока недоступен для рутинного прогноза.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно нелинейные расширенные МГД-расчёты одной вспышки на большом выделении ресурсов.С: 2002 Модель пилинг-баллонных неустойчивостей Снайдера с коллегами для краевых локализованных мод и пьедестала. источник
Моделирование всего устройства токамака
Модели нагрева, переноса, равновесия, края и стенки для целой термоядерной установки, связанные в одну рабочую цепочку, которая предсказывает весь разряд.
Вопрос, на который отвечает: Можно ли предсказать полный разряд плазмы ещё до постройки установки?
Не учитывает: Большинство модулей — упрощённые модели, настроенные на прошлые установки, поэтому прогнозы для нового режима очень неопределённы.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно связанные упрощённые и высокоточные модули, запущенные на целый разряд.С: 2015 Интегрированный пакет моделирования и анализа для ITER, Imbeaux и коллеги: первые применения стандартной модели данных, которая связывает такие модули. источник
Симуляция бесстолкновительных ударных волн
Ударные волны в космической плазме, где частицы никогда не сталкиваются. Ионы прослеживают по отдельности, а электроны как жидкость, чтобы фронт ударной волны сложился только из полей.
Вопрос, на который отвечает: Как ионы ускоряются на ударной волне, где ничто не сталкивается?
Не учитывает: Электроны рассматриваются как жидкость, а ящик — крошечный участок ударной волны, поэтому крупномасштабной структуры нет.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно большие гибридные кинетические расчёты в двух или трёх измерениях.С: 1985 Гибридные симуляции бесстолкновительных перпендикулярных ударных волн с высоким числом Маха, Quest. источник
Симуляция пылевой плазмы и систем Юкавы
Заряженные зёрна, взвешенные в плазме, моделируются как частицы, отталкивающиеся через экранированный потенциал; они замерзают в кристаллы или плавятся в жидкости.
Вопрос, на который отвечает: При какой силе связи облако заряженных зёрен кристаллизуется?
Не учитывает: Потенциал экранированного отталкивания заменяет плазму и игнорирует следы и зарядку зёрен, которые видны в настоящих пылевых облаках.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно молекулярная динамика до миллиона зёрен на долгое время.С: 1994 Термодинамика сильно связанных систем Юкавы по методам Монте-Карло и молекулярной динамики, Hamaguchi и Farouki. источник
Симуляция однокомпонентной плазмы
Заряды в однородном нейтрализующем фоне моделируют, чтобы найти уравнение состояния и кристаллизацию плотного вещества внутри белых карликов и планет-гигантов.
Вопрос, на который отвечает: При какой плотности замерзает плотное звёздное вещество?
Не учитывает: Равномерный электронный фон заменяет настоящие поляризуемые электроны.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно Монте-Карло десятков тысяч ионов, скромно по современным меркам.С: 1966 Исследование Монте-Карло однокомпонентной плазмы Браша, Сахлина и Теллера. источник
Обученное управление плазмой в симуляции
Контроллер с обучением с подкреплением учится формировать и удерживать плазму токамака, командуя магнитными катушками в быстрой симуляции её равновесия и эволюции, а затем его запускают на настоящей установке.
Вопрос, на который отвечает: Может ли контроллер, обученный целиком в симуляции, удерживать горячую плазму в заданной форме?
Не учитывает: Обучающая модель не включает турбулентность и быстрые неустойчивости, поэтому контроллеру доверяют только внутри условий, которые она охватывает.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно дни обучения на нескольких сотнях ускорителей с миллионами запусков модели плазмы.С: 2022 Контроллер глубокого обучения с подкреплением Дегрейва с коллегами, обученный в симуляции и запущенный на токамаке. источник
Квантовые многочастичные системы
Много взаимодействующих электронов или спинов на решётке обрабатывают тензорными сетями и квантовым Монте-Карло, потому что точное состояние слишком велико, чтобы его хранить.
Вопрос, на который отвечает: Почему некоторые материалы становятся сверхпроводниками и может ли какой-то из них быть сверхпроводником при комнатной температуре?
Не учитывает: Тензорные сети и квантовый метод Монте-Карло не справляются с некоторыми из самых интересных фрустрированных или фермионных систем.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно большой кластер или раздел суперкомпьютера, дни на материал.С: 1980 Первый точный квантовый метод Монте-Карло для электронного газа Сеперли и Алдера.
Эмуляция квантового компьютера
Классический компьютер хранит полное квантовое состояние регистра кубитов и применяет к нему вентили. Память удваивается с каждым добавленным кубитом.
Вопрос, на который отвечает: Работает ли этот квантовый алгоритм до того, как кто-то построит оборудование для его запуска?
Не учитывает: Нужная память удваивается с каждым лишним кубитом, поэтому можно эмулировать лишь малые случаи без квантового преимущества.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно узел кластера с большим объёмом памяти; стоимость удваивается с каждым лишним кубитом.С: 1996 первые классические симуляторы небольших квантовых схем.
Аналоговое квантовое моделирование
Одну управляемую квантовую систему, например ультрахолодные атомы в решётке из лазерного света, настраивают так, чтобы она вела себя как другую, которую слишком трудно посчитать.
Вопрос, на который отвечает: Если классический компьютер не может решить модель, можно ли заставить это сделать управляемую физическую систему?
Не учитывает: Говорит только об одной модели, которую строили для имитации, а не обязательно о настоящем материале, ради которого её придумали.
Работает на: без компьютера. сами атомы вычисляют; управляющий компьютер лишь записывает результаты.С: 2002 Переход Greiner и коллег от сверхтекучего состояния к моттовскому изолятору у ультрахолодных атомов в оптической решётке. Позже его стали считать ранней аналоговой квантовой симуляцией источникВ дереве симуляций: Квантовый симулятор на холодных атомах
Квантовая коррекция ошибок
Кубиты квантового компьютера и шум, который их портит, сверяют с кодом, созданным для обнаружения и исправления ошибок прежде, чем они распространятся.
Вопрос, на который отвечает: Действительно ли этот код коррекции ошибок защищает вычисление при реалистичном шуме?
Не учитывает: Настоящий шум коррелирован и дрейфует со временем так, как идеализированные модели редко улавливают.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно узел кластера с большим объёмом памяти; более крупные коды стоят намного дороже.С: 1996 первые симуляции, проверяющие первые предложенные коды коррекции ошибок.
Топологическая квантовая материя
Электроны на решётке расположены так, что их коллективное состояние зависит от общей формы, а не от местных деталей; их считают, чтобы найти квантовые состояния Холла и другие топологические фазы.
Вопрос, на который отвечает: Содержит ли этот материал фазу вещества, защищённую топологией, а не симметрией?
Не учитывает: Отличить подлинно топологическое состояние от очень похожего обычного бывает возможно только при числовой точности, которой большинство прогонов не достигает.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно большой кластер или раздел суперкомпьютера, дни на каждую систему-кандидата.С: 1988 первые численные исследования после теоретического открытия топологического порядка.
Динамика ультрахолодных атомных газов
Облако атомов, охлаждённое до того, что они разделяют одну квантовую волновую функцию; его описывают уравнением среднего поля для конденсата Бозе-Эйнштейна.
Вопрос, на который отвечает: Как конденсат колеблется, раскалывается или образует вихри, когда его возмущают?
Не учитывает: Уравнение среднего поля упускает корреляции отдельных атомов, важные вблизи фазового перехода.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно рабочая станция; от минут до часов на захваченное облако.С: 1995 моделирование, построенное вокруг первых лабораторных конденсатов Бозе—Эйнштейна.
Цифровая квантовая симуляция на оборудовании
Квантовый компьютер из управляемых кубитов выполняет последовательность вентилей, которая имитирует эволюцию другой такой системы.
Вопрос, на который отвечает: Может ли программируемое квантовое устройство воспроизвести динамику модели, слишком большой для классической памяти?
Не учитывает: Шум ограничивает глубину, а приближение Троттера вносит собственную ошибку.
Работает на: без компьютера. Квантовое оборудование, а не классические FLOPS; проверка на обычных машинах только в малом размереС: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) источник
Решёточная калибровочная теория на квантовом оборудовании
Квантовый компьютер из нескольких кубитов в реальном времени моделирует калибровочную теорию на решётке. Для классического метода Монте-Карло такая задача трудна из-за проблемы знака.
Вопрос, на который отвечает: Можно ли запустить на квантовом компьютере динамику калибровочной теории в реальном времени?
Не учитывает: Пока только одно пространственное измерение и несколько узлов.
Работает на: без компьютера. Малое число кубитов; классическая стоимость перекрёстной проверки растёт экспоненциальноС: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) источник
Квантовые состояния на нейронных сетях
Нейронная сеть представляет волновую функцию многочастичной системы, а её параметры настраивают вариационным методом Монте-Карло, чтобы найти основные состояния и динамику.
Вопрос, на который отвечает: Может ли нейросеть компактно закодировать квантовое состояние, слишком большое, чтобы хранить его точно?
Не учитывает: Точность зависит от устройства сети, а оптимизация может застревать в плохих минимумах.
Работает на: около 1016 FLOPS приблизительно Обучение вариационным Монте-Карло на ускорителяхС: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) источник
Динамика вихрей в сверхпроводниках
Трубки магнитного потока, пронизывающие сверхпроводник второго рода, прослеживают, пока они движутся, зацепляются за дефекты и рассеивают энергию, используя нестационарную теорию поля для сверхпроводящего состояния.
Вопрос, на который отвечает: Как магнитные вихри движутся и застревают внутри сверхпроводника?
Не учитывает: Феноменологическая теория поля игнорирует микроскопическое поведение электронов и верна только вблизи температуры перехода.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно трёхмерные нестационарные прогоны Гинзбурга и Ландау на кластере.С: 1996 Численная симуляция Gropp и коллег: динамика вихрей в сверхпроводниках II рода. источник
Монте-Карло на интегралах по траекториям для квантовых жидкостей
Каждая квантовая частица представлена кольцом связанных копий, которое сэмплируют при конечной температуре, чтобы вычислить сверхтекучий гелий и другие бозонные жидкости только по взаимодействию.
Вопрос, на который отвечает: Почему жидкий гелий течёт без трения ниже двух кельвинов?
Не учитывает: У фермионов проблема знака, поэтому для электронов и гелия-3 нужны приближения, вносящие неконтролируемую ошибку.
Работает на: около 1014 FLOPS приблизительно миллиарды выборок путей для объёмной жидкости.С: 1984 Симуляция квантовых многочастичных систем и сверхтекучего гелия методом интегралов по траекториям, Pollock и Ceperley. источник
Моделирование стабилизаторных схем
Классический компьютер отслеживает квантовую схему, собранную только из вентилей Клиффорда, следя за тем, как меняется небольшая таблица операторов Паули, а не храня полное состояние. Так можно запускать схемы коррекции ошибок с тысячами кубитов.
Вопрос, на который отвечает: Как часто помехоустойчивый код даёт сбой, если шумит каждый вентиль, каждое измерение и каждый шаг простоя?
Не учитывает: Так можно отслеживать только схемы из операций Клиффорда и измерений Паули, поэтому универсальные квантовые вычисления недоступны.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно миллионы шумных попыток для большого куска кода на кластере рабочих станций.С: 2004 Улучшенный алгоритм Ааронсона и Готтесмана для симуляции стабилизаторных схем за полиномиальное время. источник
Обученные декодеры для коррекции ошибок
Нейронную сеть обучают на смоделированных картинах ошибок квантового кода: она читает измеренные синдромы и выводит, какую поправку применить.
Вопрос, на который отвечает: Может ли обученный декодер исправлять ошибки в квантовой памяти быстрее или точнее, чем алгоритм, созданный вручную?
Не учитывает: Декодер знает только ту модель шума, на которой обучен, а настоящее оборудование дрейфует и даёт коррелированные ошибки, которых симуляция не включала.
Работает на: около 1015 FLOPS приблизительно обучение на миллиардах смоделированных синдромов на узлах с GPU.С: 2016 Нейронный декодер топологических кодов Торлаи и Мелко (arXiv 2016, опубликован в 2017). источник
Симуляция квантовых сетей
Узлы с кубитами, запутанные связи и шумные фотонные каналы моделируются как дискретные события во времени, чтобы проверять протоколы распределения запутанности по сети.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро и как точно два далёких узла могут разделить запутанность через ретрансляторы и волокно с потерями?
Не учитывает: Аппаратный шум сведён к нескольким параметризованным моделям, а сети такого масштаба, на которой можно проверить предсказанные скорости, пока нет.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно много долгих прогонов сетевого протокола на одном сервере.С: 2021 NetSquid Купманса с коллегами, дискретно-событийный симулятор квантовых сетей. источник