Temel fizik
Kuarklar, çekirdekler, plazmalar ve kuantum maddesi: simüle edilen en küçük sistemler ve hesaplama bakımından en pahalılar arasında.
Hiyerarşinin temeli. Bu simülasyonlar temel kuramdan, yani Standart Model'den ve kuantum mekaniğinden başlar ve sonuçlarını hesaplar. Fiziksel olguları ilk ilkelerden üretmeye en çok yaklaşanlar bunlardır. Ayrıca Kum havuzu'ndaki en ince madde tabanlarının neden bu kadar çok hesaplama gerektirdiğini de açıklarlar.
Kafes KRD
Dört boyutlu bir uzay-zaman noktaları ızgarasında kuarklar ve gluonlar; protonların, nötronların ve diğer hadronların kütlelerini ve özelliklerini yalnızca güçlü kuvvetten hesaplamak için kullanılır.
Yanıtladığı soru: Yalnızca kuramdan yola çıkarak bir protonun kütlesi nedir?
Dışarıda bıraktığı: Izgara aralığı ve kutu boyutu birer uzlaşmadır. Sonuçlar süreklilik sınırına ve sonsuz hacme doğru ekstrapole edilir, ama onlara hiçbir zaman ulaşmaz.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1017 FLOPS yaklaşık bir ulusal süper bilgisayar tahsisi, büyük bir bölüm haftalarca.Şu tarihten beri: 1979 Creutz'un kuark içermeyen saf SU(2) örgü ayar kuramının Monte Carlo incelemesi; kuarklar sonradan girdi kaynakSimülasyonlar ağacında: Kafes ayar Monte Carlo
Çarpıştırıcı olayı üretimi
Bir hızlandırıcıdaki her proton-proton çarpışması; sert saçılmadan parton sağanaklarına ve dedektöre ulaşan hadron püskürmesine kadar.
Yanıtladığı soru: Önerilen yeni bir parçacık gerçek olsaydı veri nasıl görünürdü?
Dışarıda bıraktığı: Katkıda bulunan bütün süreçler arasındaki kuantum girişimini, yalnızca baskın olanları tutarak ve parametreleri geçmiş verilere uyacak biçimde ayarlayarak yaklaşık olarak hesaplar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık milyarlarca simüle çarpışmayı işleyen bir grid bilişim kümesi.Şu tarihten beri: 1982 çarpıştırıcı fiziği için erken bilgisayarlı parton sağanağı olay üreticileri.
Dedektör yanıtı
Bir çarpışmadan çıkan her parçacık, silikon, kalorimetre ve mıknatıs katmanlarından adım adım geçer ve giderken enerji bırakır.
Yanıtladığı soru: Dedektör hangi gerçek sinyalleri kaçıracak ve hangilerini sahte üretecek?
Dışarıda bıraktığı: Dedektörün geometrisinin ve kalibrasyonunun tam tasarlandığı gibi olduğunu varsayar; oysa yaşlanan kablolar ve ışınım hasarı bunları giderek bozar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite ya da grid bilişim kümesi, yılda milyonlarca işlemci saati.Şu tarihten beri: 1974 CERN'ün dedektör tasarımı için ilk genel parçacık taşıma kodu.
Kozmik ışın hava sağanakları
Uzaydan gelen ve üst atmosfere çarpıp aşağı inerken milyarlarca ikincil parçacığa çağlayan tek bir çok yüksek enerjili parçacık.
Yanıtladığı soru: Yer dedektörlerimizin gördüğü örüntüyü, ne kadar uzaktan, hangi tür parçacık oluşturdu?
Dışarıda bıraktığı: Bir hızlandırıcının sınadığı herhangi bir enerjinin çok ötesine ekstrapole edilmiş çarpışma modellerine dayanır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1014 FLOPS yaklaşık küçük bir küme ya da güçlü bir iş istasyonu, sağanak kümesi başına saatler.Şu tarihten beri: 1961 kozmik ışın parçacık çağlayanlarının erken Monte Carlo modelleri.
Hızlandırıcı demet dinamiği
Mıknatıslardan milyonlarca tur geçen, alanlar ve birbirleri tarafından itilen yüklü parçacık demetleri.
Yanıtladığı soru: Demet sıkı biçimde odaklı mı kalır, yoksa giderek ıraksayıp duvarlara mı çarpar?
Dışarıda bıraktığı: Mıknatısları şartnameye uygun üretilmiş gibi idealleştirir; gerçeklerde ise milyonlarca turda önem kazanan küçük üretim hataları vardır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1013 FLOPS yaklaşık örgü tasarımı başına dakikalar süren bir masaüstü iş istasyonu ya da küçük küme.Şu tarihten beri: 1959 ilk güçlü odaklamalı senkrotronlar için erken bilgisayar izleme çalışmaları.
Nötrino dedektörü simülasyonu
Bir su, buz ya da sıvı tankının derinlerinde bir nötrinoyla etkileşen ışık ya da yük, gerçek bir olayın neye benzediğini bulmak için dedektör boyunca izlenir.
Yanıtladığı soru: Bu tür bir nötrino hangi sinyali bırakır ve onu arka plandan ayırt edebilir miyiz?
Dışarıda bıraktığı: Gerçek bir dedektörün kabloları, kabarcıkları ve üzerindeki kaya örtüsü, hiçbir simülasyonun tümüyle öngöremediği gürültü katar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite ya da iş birliği kümesi, dedektör tasarımı başına haftalar.Şu tarihten beri: 1987 1987 süpernova nötrino patlamasını yorumlamak için kurulmuş dedektör simülasyonları.
Üretken kalorimetre sağanak modelleri
Tam parçacık taşıma çalıştırmalarıyla eğitilmiş bir sinir ağı, bir dedektördeki sağanağın enerji birikimlerini maliyetin çok küçük bir kesriyle üretir.
Yanıtladığı soru: Eğitilmiş bir üretici, bir dedektör simülasyonunun en yavaş kısmının yerini tutabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Eğitim çalışmalarının istatistiklerini yeniden üretir, yeni fiziği değil, ve gördüğü enerjilerin dışında sapar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık Milyonlarca tam sağanak olayı üzerinde eğitim, ardından ucuz örneklemeŞu tarihten beri: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) kaynak
Örgü alan kuramı için akış tabanlı örnekleme
Eğitilmiş bir normalleştirici akış, bir örgü üzerinde bütün alan yapılandırmalarını önerir; bunlar sonra kesin bir kabul-ret adımıyla düzeltilir, böylece yanıt yansız kalır.
Yanıtladığı soru: Öğrenilmiş örnekleyiciler, olağan örgü Monte Carlo'sunun kritik yavaşlamasını yenebilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Çoğunlukla düşük boyutlu oyuncak kuramlarda gösterilmiştir; eğitim maliyeti örgü hacmiyle hızla artar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1017 FLOPS yaklaşık Eğitim artı büyük kafes topluluklarıŞu tarihten beri: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) kaynak
Çekirdek yapısı
Bir çekirdekte bağlı protonlar ve nötronlar, aralarındaki kuvvetlerden hesaplanır.
Yanıtladığı soru: Hangi izotoplar var olabilir ve hangi şekilleri alırlar?
Dışarıda bıraktığı: Nükleonlar arasındaki kuvvet hâlâ tam olarak bilinmiyor; bu yüzden her çekirdek ona yapılan bir yaklaşımdan hesaplanır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, tek bir ağır çekirdek için günler.Şu tarihten beri: 1965 bir ana bilgisayarda erken kabuk modeli köşegenleştirme hesapları.
Reaktör çekirdeği fiziği
Bir güç reaktörünün içinde doğan, saçılan, soğurulan ve çekirdekleri bölen nötronlar; ısı ve soğutucu akışıyla bağlaşık.
Yanıtladığı soru: Yakıt azaldıkça zincirleme tepkime kararlı kalır mı?
Dışarıda bıraktığı: Yaşlanan gerçek bir reaktördeki her çatlağı, kaynağı ve akış yolunu tam olarak yakalayamaz.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite ya da sanayi kümesi, çekirdek döngüsü başına saatler.Şu tarihten beri: 1948 Ulam, von Neumann ve Metropolis'in ENIAC üzerindeki ilk Monte Carlo nötron çalıştırmaları.
Işınım taşınımı
Madde içinden her seferinde bir etkileşimle geçen parçacıklar: bir hastadaki radyoterapi ışınları, bir uzay aracı gövdesindeki kozmik ışınlar.
Yanıtladığı soru: Dozun ne kadarı tümöre, ne kadarı çevresindeki her şeye düşer?
Dışarıda bıraktığı: Gövdeyi ya da tekne gövdesini sabit bir geometri sayar; maruz kalma sırasındaki hareketini, örneğin solunumu, hesaba katmaz.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1013 FLOPS yaklaşık bir hastane fizik iş istasyonu ya da küçük küme, plan başına dakikalar.Şu tarihten beri: 1968 radyoterapi planlaması için önerilen ilk Monte Carlo doz hesapları.
Nükleer kritiklik güvenliği
Depolanan ya da taşınan fisil malzemeden Monte Carlo nötron taşınımı; kazara bir zincirleme tepkime başlayamayacağını doğrulamak için.
Yanıtladığı soru: Bu fisil malzeme düzeni kazara kritik olabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Beyannamede kayıtlı geometrinin ve malzemenin gerçekte bulunanla eşleştiğini varsayar; bu yüzden sonuç ancak belgeleme kadar güvenilirdir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1013 FLOPS yaklaşık bir masaüstü iş istasyonu; yapılandırma başına dakikalardan saatlere.Şu tarihten beri: 1957 savaş zamanı kazalarının ardından resmî güvenlik kurallarını doğuran erken bilgisayarlı kritiklik hesapları.
Radyoaktivasyon ve bozunma zincirleri
Nötronlara ya da radyasyona maruz kalan, yeni radyoaktif izotoplar biriktiren ve ardından kararlılığa doğru zincirler boyunca bozunan malzemeler.
Yanıtladığı soru: Bu malzeme ışınlandıktan sonra ne kadar radyoaktif olacak ve ne kadar süreyle?
Dışarıda bıraktığı: Nadir, kısa ömürlü izotoplar için nükleer veri yaygın olanlardan daha eksiktir; bu yüzden küçük yollarda daha çok tahmin vardır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1012 FLOPS yaklaşık bir dizüstü bilgisayar; tam bir bozunma zinciri hesabı saniyeler sürer.Şu tarihten beri: 1962 reaktör malzemelerinde aktivasyon ve bozunma için erken bilgisayar kodları.
Füzyon üretken örtü (blanket) nötroniği
Bir füzyon tepkimesinden gelen nötronlar çevredeki battaniyede yavaşlar, trityum yakıtı üretir ve bir türbini çalıştıracak ısıyı bırakır.
Yanıtladığı soru: Üretken örtü (blanket), reaktörü yakıtlı tutacak kadar trityum üretir mi?
Dışarıda bıraktığı: Henüz tam ölçekte var olmayan bir tasarıma göre modellenir; bu yüzden temel malzeme davranışı ekstrapole edilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1014 FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, tasarım varyantı başına saatler.Şu tarihten beri: 1980 önerilen füzyon reaktörü üretken örtüleri (blanket) için erken nötronik çalışmalar.
Nükleer kafes etkin alan kuramı
Uzay-zaman kafesine yerleştirilen ve kiral bir etkin kuramla etkileşen protonlar ve nötronlar; çekirdek yapısını vermek için Monte Carlo ile çözülür.
Yanıtladığı soru: Karbon-12'nin Hoyle durumu gibi hafif çekirdeklerin uyarılmış durumları, nükleon kuvvetlerinden hesaplanabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Hafif ve orta çekirdeklerle sınırlıdır; işaret sorunları hangi sistemlere ulaşılabileceğini kısıtlar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1018 FLOPS yaklaşık Öncü makinelerde büyük Monte Carlo çalışmalarıŞu tarihten beri: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) kaynak
Zamana bağlı nükleer ortalama alan dinamiği
Çarpışan ve fisyona uğrayan çekirdekler gerçek zamanlı izlenir; her nükleon, evrimleşirken diğerlerinin ortalama alanında hareket eder.
Yanıtladığı soru: İki çekirdek temas ettiğinde, kaynaştığında ya da birbirinden sekip ayrıldığında ne olur?
Dışarıda bıraktığı: Bir ortalama alan, farklı sonuçlar arasındaki kuantum tünellemeyi ya da fisyon verimlerini ayıran dalgalanmaları tanımlayamaz.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir kümede üç boyutlu Skyrme tipi zamana bağlı çalıştırmalar.Şu tarihten beri: 1976 Bonche, Koonin ve Negele'nin nükleer çarpışmaların tek boyutlu zamana bağlı Hartree-Fock hesabı. kaynak
Nötron yıldızı kabuğu makarna dinamikleri
Bir nötron yıldızı kabuğunun en derin katmanı; nötronlar ve protonlar çubuk ve levha biçimleri oluşturur. Sertliğini ve nötrinoları nasıl saçtığını bulmak için moleküler dinamikle izlenir.
Yanıtladığı soru: Bir nötron yıldızı kabuğunun tabanında madde hangi şekilleri alır?
Dışarıda bıraktığı: Nükleon etkileşimi basit bir uydurulmuş potansiyeldir ve kutu gerçek bir kabuktan çok daha küçüktür.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık onbinlerce nükleonun moleküler dinamiği, yoğunluklar boyunca tekrarlanır.Şu tarihten beri: 2004 Horowitz, Perez-Garcia ve Piekarewicz'in düzgün olmayan nötron zengini maddenin moleküler dinamiği ve nötrino opaklığı. kaynak
Füzyon plazması türbülansı
Güneş'in çekirdeğinden daha sıcak, bir manyetik alanla hapsedilmiş bir hidrojen plazması ve ısı kaybını yürüten türbülanslı taşınım.
Yanıtladığı soru: Makine aldığından fazla enerji üretmeden önce ne kadar büyük olmalı?
Dışarıda bıraktığı: Reaktör ölçeğinde tam türbülans hâlâ çok pahalıdır, bu yüzden çoğu çalıştırma bir dilimi simüle edip ekstrapole eder.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1017 FLOPS yaklaşık bir ulusal süper bilgisayar, haftalarca büyük bir tahsis.Şu tarihten beri: 1983 tokamak plazmaları için erken jirokinetik türbülans kodları.
Parçacık-hücre plazması
Bir ızgarada saklanan elektrik ve manyetik alanlardan geçen milyonlarca yüklü makro parçacık; plazmaya çarpan lazerler ve iz alanı hızlandırması için kullanılır.
Yanıtladığı soru: Bir plazma dalgası, elektronları kilometreler yerine santimetrelerde hızlandırabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Her simüle parçacık birçok gerçek parçacığı temsil eder, bu da gerçek bir plazmanın ince taneciğini bulanıklaştırır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık büyük bir GPU kümesi, tam bir uyanma alanı çalıştırması için günler.Şu tarihten beri: 1959 Buneman ve Dawson'ın ilk elektrostatik parçacık-hücre plazma çalıştırmaları.
Plazma dengesi ve kararlılığı
Manyetik olarak hapsedilmiş bir plazmanın bütün biçimi; bükülmeden, yırtılmadan ya da bozulmadan önce taşıyabileceği basınç ve akıma karşı denetlenir.
Yanıtladığı soru: Bu plazma yapılandırması şeklini koruyacak mı, yoksa çökecek mi?
Dışarıda bıraktığı: Gerçek bozulmalar çoğu zaman idealleştirilmiş bir dengenin içermediği küçük kusurlardan ve safsızlıklardan başlar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, denge taraması başına saatler.Şu tarihten beri: 1958 ilk manyetik hapsetme aygıtları için erken hesaplanmış dengeler.
Eylemsizlik hapsi çöküşü
Yoğun ışınımla içeri sürülen küçük bir yakıt kapsülü, kaynaşacak kadar sıcak ve yoğun olana dek; ışınım, hidrodinamik ve yanan plazma birlikte modellenir.
Yanıtladığı soru: Yakıt, kendini parçalamadan önce tutuşacak kadar eşit sıkışacak mı?
Dışarıda bıraktığı: Sürücüdeki küçücük asimetriler, en basit çalıştırmaların varsaydığı küresel simetriyi bozan kararsızlıkları tohumlar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık büyük bir küme ya da süper bilgisayar bölümü, tasarım başına günler.Şu tarihten beri: 1972 lazerle sürülen yakıt kapsüllerinin erken ışınım-hidrodinamik simülasyonları.
Manyetik yeniden bağlanma
Bir plazmadaki manyetik alan çizgilerinin kopup yeniden birleşmesi; depolanmış alan enerjisini ısıya ve hızlı parçacıklara dönüştürür.
Yanıtladığı soru: Manyetik alan çizgileri gerçekte ne kadar hızlı kopup yeniden bağlanabilir?
Dışarıda bıraktığı: Gerçek süreç, elektron yörüngelerinden tüm yıldız sistemlerine uzanan ölçekleri kapsar; hiçbir tek çalıştırma hepsini birden kapsamaz.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir üniversite kümesi, tek bir yeniden bağlanma olayı için günler.Şu tarihten beri: 1963 Sweet ve Parker kuramını izleyen alan çizgisi yeniden bağlanmasının erken hesaplanmış modelleri.
Endüstriyel plazma işleme
Düşük sıcaklıktaki bir plazmada bir yüzeye çarpıp onu aşındıran iyonlar ve tepkin türler; malzemeleri mikroskobik hassasiyetle biçimlendirmek için kullanılır.
Yanıtladığı soru: Plazma yüzeyi eşit aşındıracak ya da kaplayacak mı?
Dışarıda bıraktığı: Duvardaki yüzey kimyası, gerçek bir kirlenmiş odanın taşıdığı ayrıntının çok altında, hâlâ basitleştirilmiştir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1013 FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu ya da küçük küme, süreç tarifi başına saatler.Şu tarihten beri: 1985 yüzey işleme için plazma aşındırmasının erken bilgisayar modelleri.
Lazer iz alanı hızlandırması
Yoğun bir lazer darbesinin, elektronları milimetreler boyunca tutan ve hızlandıran bir plazma dalgası sürdüğü parçacık-hücre çalışmaları.
Yanıtladığı soru: Bir plazma dalgası, çok kısa bir mesafede elektronları nasıl yüksek enerjiye hızlandırabilir?
Dışarıda bıraktığı: İyonlaşma, ışınım tepkisi ve lazer-hedef kusurları genellikle idealleştirilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1018 FLOPS yaklaşık 3B parçacık-hücre yöntemi, çok sayıda dalga periyodu boyunca milyarlarca parçacıkŞu tarihten beri: 2002 Yüksek derecede doğrusal olmayan kırılan dalga (kabarcık) rejimi simülasyonları (2002) kaynak
Stellaratör yapılandırma eniyilemesi
Füzyon plazması için bükülmüş bir manyetik şişenin biçimi; parçacık yörüngeleri sınırlı kalana ve denge sürülen bir akım olmadan kararlı olana dek bilgisayarla ayarlanır.
Yanıtladığı soru: Hangi üç boyutlu manyetik şekil sıcak bir plazmayı en iyi tutar?
Dışarıda bıraktığı: Eniyilenmiş şekiller idealleştirilmiş dengelere göre değerlendirilir; türbülans ve bobin toleransları sonra gelir ve çoğu zaman sonucu bozar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık bir eniyileme döngüsü içinde binlerce denge ve yörünge hesabı.Şu tarihten beri: 1988 Nuhrenberg ve Zille'nin hesaplanmış yarı sarmal simetrik stellaratörleri. kaynak
Tokamak kenar kaidesi ve ELM modellemesi
Bir tokamak plazmasının kenarındaki dik kenarlı katman ve ısıyı duvara savuran dönemsel patlamalar; kenarın manyetohidrodinamik kararlılığından hesaplanır.
Yanıtladığı soru: Plazma patlamadan önce kenar basıncı ne kadar yükselebilir?
Dışarıda bıraktığı: Kararlılık eşikleri iyi öngörülür, ancak kinetik ve duvar fiziğiyle birlikte tam doğrusal olmayan patlama hâlâ olağan tahminlerin ötesindedir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık büyük bir kotada tek bir patlamanın doğrusal olmayan genişletilmiş MHD çalışmaları.Şu tarihten beri: 2002 Snyder ve arkadaşlarının kenar yerelleşmiş modlar ve kaide için soyulma-balonlaşma modeli. kaynak
Tokamak tüm cihaz modellemesi
Tüm bir füzyon aygıtı için ısıtma, taşınım, denge, kenar ve duvar modelleri tek bir bütünleşik iş akışında birleştirilir ve tam bir deşarjı öngörür.
Yanıtladığı soru: Makine yapılmadan önce eksiksiz bir plazma boşalması öngörülebilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Çoğu modül geçmiş makinelere ayarlanmış indirgenmiş modellerdir; bu yüzden yeni bir rejim için öngörüler geniş bir belirsizlik taşır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık tam bir boşalma için çalıştırılan eşleşik indirgenmiş ve yüksek doğruluklu modüller.Şu tarihten beri: 2015 Imbeaux ve çalışma arkadaşlarının ITER için bütünleşik modelleme ve analiz paketi; bu tür modülleri bağlayan standart bir veri modelinin ilk uygulamaları. kaynak
Çarpışmasız şok simülasyonu
Parçacıkların hiç çarpışmadığı uzay plazmasındaki şok dalgaları; iyonlar tek tek, elektronlar ise akışkan olarak izlenir, böylece şok cephesi yalnızca alanlardan oluşur.
Yanıtladığı soru: Hiçbir şeyin çarpışmadığı bir şok dalgasında iyonlar nasıl hızlandırılır?
Dışarıda bıraktığı: Elektronlar bir akışkan olarak ele alınır ve kutu bir şokun küçük bir parçasıdır, bu yüzden büyük ölçekli yapı eksiktir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık iki ya da üç boyutta büyük melez kinetik çalışmalar.Şu tarihten beri: 1985 Quest'in yüksek Mach sayılı çarpışmasız dikey şoklar için melez simülasyonları. kaynak
Tozlu plazma ve Yukawa sistemi simülasyonu
Bir plazmada asılı duran yüklü taneler; ekranlanmış bir potansiyel yoluyla iten parçacıklar olarak modellenir ve kristallere donar ya da sıvılara erir.
Yanıtladığı soru: Yüklü tanelerden oluşan bir bulut hangi bağlaşım gücünde kristalleşir?
Dışarıda bıraktığı: Perdelenmiş itme potansiyeli plazmanın yerini alır ve gerçek toz bulutlarının gösterdiği art izleri ile tanecik yüklenmesini yok sayar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1012 FLOPS yaklaşık uzun süreler boyunca bir milyona kadar tanenin moleküler dinamiği.Şu tarihten beri: 1994 Hamaguchi ve Farouki'nin Monte Carlo ve moleküler dinamikten güçlü bağlaşımlı Yukawa sistemlerinin termodinamiği. kaynak
Tek bileşenli plazma simülasyonu
Tekdüze bir nötrleştirici zemine batırılmış yükler; beyaz cücelerin ve dev gezegenlerin içindeki yoğun maddenin durum denklemini ve kristalleşmesini bulmak için simüle edilir.
Yanıtladığı soru: Yoğun yıldız maddesi hangi yoğunlukta donar?
Dışarıda bıraktığı: Düzgün elektron zemini, gerçek, kutuplanabilir elektronların yerini tutar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1010 FLOPS yaklaşık Onbinlerce iyonun Monte Carlosu; modern ölçütlere göre mütevazı.Şu tarihten beri: 1966 Brush, Sahlin ve Teller'ın tek bileşenli bir plazmanın Monte Carlo incelemesi. kaynak
Simülasyonda öğrenilmiş plazma denetimi
Bir pekiştirmeli öğrenme denetleyicisi, dengesinin ve evriminin hızlı bir simülasyonunda mıknatıs bobinlerini yöneterek bir tokamak plazmasını biçimlendirmeyi ve tutmayı çalışır, sonra gerçek aygıtta çalıştırılır.
Yanıtladığı soru: Tümüyle simülasyonda öğrenilmiş bir denetleyici, sıcak bir plazmayı istenen biçimde tutabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Eğitim modeli türbülansı ve hızlı kararsızlıkları dışarıda bırakır; bu yüzden denetleyiciye yalnızca yakaladığı koşulların içinde güvenilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık birkaç yüz hızlandırıcıda günlerce eğitim; plazma modeli milyonlarca kez çalıştırılır.Şu tarihten beri: 2022 Degrave ve çalışma arkadaşlarının simülasyonda eğitilip bir tokamakta çalıştırılan derin pekiştirmeli öğrenme denetleyicisi. kaynak
Kuantum çok cisimli sistemler
Bir kafes üzerindeki birçok etkileşen elektron ya da spin; tam durum saklanamayacak kadar büyük olduğu için tensör ağları ve kuantum Monte Carlo ile ele alınır.
Yanıtladığı soru: Bazı malzemeler neden süperiletken olur ve biri oda sıcaklığında olabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Tensör ağları ve kuantum Monte Carlo, en ilginç frustre ya da fermiyonik sistemlerin bazılarında başarısız olur.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık büyük bir küme ya da süper bilgisayar bölümü, malzeme başına günler.Şu tarihten beri: 1980 Ceperley ve Alder'in elektron gazının ilk doğru kuantum Monte Carlo'su.
Kuantum bilgisayar emülasyonu
Bir kübit yazmacının tam kuantum durumunu saklayıp ona kapılar uygulayan klasik bir bilgisayar. Eklenen her kübitle bellek ikiye katlanır.
Yanıtladığı soru: Bu kuantum algoritması, onu çalıştıracak donanımı kimse kurmadan önce çalışır mı?
Dışarıda bıraktığı: Gereken bellek her ek kübitte ikiye katlanır; bu yüzden yalnızca kuantum üstünlüğü olmayan küçük durumları emüle edebilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık belleği yoğun kullanan bir küme düğümü; her ek kübitle maliyeti ikiye katlanır.Şu tarihten beri: 1996 küçük kuantum devrelerinin erken klasik simülatörleri.
Analog kuantum simülasyonu
Tek bir denetlenebilir kuantum sistemi, örneğin lazer ışığından bir kafesteki ultra soğuk atomlar, hesaplaması çok zor başka bir sisteme benzeyecek biçimde ayarlanır.
Yanıtladığı soru: Klasik bir bilgisayar modeli çözemiyorsa, onun yerine kontrol edilebilir bir fiziksel sistem bunu yapabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Yalnızca emüle etmek üzere kurulduğu tek modelle ilgili bilgi verir; ona ilham veren gerçek malzeme hakkında mutlaka bilgi vermez.
Çalıştığı yer: hiçbir bilgisayar. atomların kendisi hesaplar; bir denetim bilgisayarı yalnızca sonuçları kaydeder.Şu tarihten beri: 2002 Greiner ve çalışma arkadaşlarının optik bir kafeste ultra soğuk atomların süperakışkandan Mott yalıtkanına geçişi; sonradan erken bir analog kuantum simülasyonu olarak yorumlandı kaynakSimülasyonlar ağacında: Soğuk atom kuantum simülatörü
Kuantum hata düzeltme
Bir kuantum bilgisayarın kübitleri ve onları bozan gürültü; hatalar yayılmadan önce algılamak ve düzeltmek için tasarlanmış bir kodla sınanır.
Yanıtladığı soru: Bu hata düzeltici kod, gerçekçi gürültü altında hesabı gerçekten koruyor mu?
Dışarıda bıraktığı: Gerçek gürültü ilişkilidir ve idealleştirilmiş modellerin nadiren yakaladığı biçimlerde zamanla kayar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık belleği yoğun kullanan bir küme düğümü; daha büyük kodların maliyeti çok daha yüksektir.Şu tarihten beri: 1996 önerilen ilk hata düzeltici kodları sınayan erken simülasyonlar.
Topolojik kuantum maddesi
Kolektif durumu yerel ayrıntılara değil genel biçimine bağlı olacak biçimde dizilmiş örgüdeki elektronlar; kuantum Hall durumlarını ve başka topolojik fazları bulmak için hesaplanır.
Yanıtladığı soru: Bu malzeme, simetrisiyle değil topolojisiyle korunan bir madde fazına ev sahipliği yapar mı?
Dışarıda bıraktığı: Gerçekten topolojik bir durumu çok benzeyen sıradan bir durumdan ayırmak, çoğu çalıştırmanın tam olarak erişemediği sayısal hassasiyete bağlı olabilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık büyük bir küme ya da süper bilgisayar bölümü, aday sistem başına günler.Şu tarihten beri: 1988 topolojik düzenin kuramsal keşfini izleyen erken sayısal çalışmalar.
Ultra soğuk atom gazı dinamikleri
Tek bir kuantum dalga fonksiyonunu paylaşana dek soğutulmuş bir atom bulutu; bir Bose-Einstein yoğuşmasını tanımlayan ortalama alan denklemiyle ilerletilir.
Yanıtladığı soru: Yoğuşuk, sarsıldığında nasıl salınır, bölünür ya da girdap oluşturur?
Dışarıda bıraktığı: Ortalama alan denklemi, faz geçişine yakın önem taşıyan tek tek atom ilişkilerini kaçırır.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1013 FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu; tuzağa düşen bulut başına dakikalardan saatlere.Şu tarihten beri: 1995 ilk laboratuvar Bose-Einstein yoğuşuklarının çevresinde kurulan modelleme.
Donanımda dijital kuantum simülasyonu
Denetlenebilir kübitlerden kurulmuş bir kuantum bilgisayar, başka bir benzer sistemin evrimini taklit eden bir kapı dizisi çalıştırır.
Yanıtladığı soru: Programlanabilir bir kuantum aygıtı, klasik belleğe sığmayacak kadar büyük bir modelin dinamiğini yeniden üretebilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Gürültü derinliği sınırlar ve Trotter yaklaşımı kendi hatasını getirir.
Çalıştığı yer: hiçbir bilgisayar. Kuantum donanımı, klasik FLOPS değil; geleneksel makinelerde doğrulama yalnızca küçük boyuttaŞu tarihten beri: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) kaynak
Kuantum donanımında kafes ayar kuramı
Birkaç kübitlik bir kuantum bilgisayar, bir örgü ayar kuramını gerçek zamanlı ilerletir; işaret problemi yüzünden klasik Monte Carlo için zor bir iştir.
Yanıtladığı soru: Bir ayar kuramının gerçek zamanlı dinamiği bir kuantum bilgisayarda çalıştırılabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Şimdiye dek yalnızca bir uzamsal boyut ve bir avuç bölge.
Çalıştığı yer: hiçbir bilgisayar. Az sayıda kübit; çapraz doğrulamanın klasik maliyeti üstel olarak artarŞu tarihten beri: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) kaynak
Sinir ağı kuantum durumları
Bir sinir ağı çok cisimli bir sistemin dalga fonksiyonunu temsil eder; taban durumlarını ve dinamiği bulmak için parametreleri varyasyonel Monte Carlo ile ayarlanır.
Yanıtladığı soru: Bir sinir ağı, tam olarak saklanamayacak kadar büyük bir kuantum durumunu sıkı biçimde kodlayabilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Doğruluk ağ tasarımına bağlıdır ve eniyileme kötü minimumlarda takılabilir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1016 FLOPS yaklaşık Hızlandırıcılarda değişimsel Monte Carlo ile eğitimŞu tarihten beri: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) kaynak
Süperiletken girdap dinamiği
Bir tip-II süperiletkenin içinden geçen manyetik akı tüpleri; süperiletken durum için zamana bağlı bir alan kuramıyla, hareket ederken, kusurlara takılırken ve enerji harcarken izlenir.
Yanıtladığı soru: Manyetik girdaplar bir süperiletkenin içinde nasıl hareket eder ve nasıl takılıp kalır?
Dışarıda bıraktığı: Fenomenolojik alan kuramı mikroskobik elektron davranışını yok sayar ve yalnızca geçiş sıcaklığının yakınında geçerlidir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1014 FLOPS yaklaşık bir kümede üç boyutlu zamana bağlı Ginzburg-Landau çalıştırmaları.Şu tarihten beri: 1996 Gropp ve çalışma arkadaşlarının tip II süperiletkenlerdeki girdap dinamiğinin sayısal simülasyonu. kaynak
Kuantum akışkanlarının yol integrali Monte Carlosu
Her kuantum parçacığı bağlı kopyalardan oluşan bir halka olarak temsil edilir; yalnızca etkileşimden süperakışkan helyumu ve diğer bozonik sıvıları hesaplamak için sonlu sıcaklıkta örneklenir.
Yanıtladığı soru: Sıvı helyum iki kelvinin altında sürtünmesiz neden akar?
Dışarıda bıraktığı: Fermiyonlar işaret problemine uğrar, bu yüzden elektronlar ve helyum-3 kontrolsüz hata getiren yaklaşımlar gerektirir.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1014 FLOPS yaklaşık yığın hâlindeki bir sıvı için milyarlarca yol örneği.Şu tarihten beri: 1984 Pollock ve Ceperley'in kuantum çok cisimli sistemlerin ve süperakışkan helyumun yol integrali simülasyonu. kaynak
Stabilizatör devresi simülasyonu
Klasik bir bilgisayar, yalnızca Clifford kapılarından oluşan bir kuantum devresini, tam durumu saklamak yerine küçük bir Pauli işleci tablosunun nasıl değiştiğini izleyerek takip eder. Bu, binlerce kübitlik hata düzeltme devrelerinin çalıştırılmasını sağlar.
Yanıtladığı soru: Her kapı, ölçüm ve boşta bekleme adımı gürültülü olduğunda bir hata düzeltme kodu ne sıklıkta başarısız olur?
Dışarıda bıraktığı: Bu şekilde yalnızca Clifford işlemlerinden ve Pauli ölçümlerinden oluşan devreler izlenebilir, bu yüzden evrensel kuantum hesaplama erişilemez.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1012 FLOPS yaklaşık bir iş istasyonu kümesinde büyük bir kod yamasının milyonlarca gürültülü atışı.Şu tarihten beri: 2004 Aaronson ve Gottesman'ın, stabilizatör devrelerini polinom sürede simüle etmek için geliştirdiği algoritma. kaynak
Öğrenilmiş hata düzeltme çözücüleri
Bir sinir ağı, bir kuantum kodundan simüle hata örüntüleriyle eğitilir; ölçülen sendromları okuyup hangi düzeltmenin uygulanacağını çıkarır.
Yanıtladığı soru: Öğrenilmiş bir kod çözücü, bir kuantum bellekteki hataları elle tasarlanmış bir algoritmadan daha hızlı ya da daha doğru düzeltebilir mi?
Dışarıda bıraktığı: Kod çözücü yalnızca eğitildiği gürültü modelini bilir; gerçek donanım ise kayar ve simülasyonun içermediği ilişkili hatalar yapar.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1015 FLOPS yaklaşık GPU düğümlerinde milyarlarca simüle edilmiş sendrom üzerinde eğitim.Şu tarihten beri: 2016 Torlai and Melko's neural decoder for topological codes (arXiv 2016, published 2017). kaynak
Kuantum ağı simülasyonu
Kübit tutan düğümler, dolanık bağlantılar ve gürültülü foton kanalları zamanda ayrık olaylar olarak modellenir; böylece bir ağ boyunca dolanıklık paylaşma protokolleri sınanabilir.
Yanıtladığı soru: İki uzak düğüm, tekrarlayıcılar ve kayıplı fiber üzerinden dolanıklığı ne kadar hızlı ve ne kadar sadık paylaşabilir?
Dışarıda bıraktığı: Donanım gürültüsü birkaç parametreli modele indirgenmiştir ve öngörülen oranları sınayabileceğimiz ölçekte bir ağ yoktur.
Çalıştığı yer: yaklaşık 1011 FLOPS yaklaşık tek bir sunucuda bir ağ protokolünün birçok uzun çalıştırması.Şu tarihten beri: 2021 Coopmans ve çalışma arkadaşlarının kuantum ağları için ayrık olay simülatörü NetSquid'i. kaynak