Vật lý cơ bản
Quark, hạt nhân, plasma và vật chất lượng tử: những hệ nhỏ nhất được mô phỏng, và thuộc loại tốn sức tính toán nhất.
Nền tảng của hệ thống phân cấp. Các mô phỏng này bắt đầu từ lý thuyết cơ bản, Mô hình Chuẩn và cơ học lượng tử, rồi tính ra các hệ quả của chúng. Chúng tiến gần nhất đến việc sinh ra các hiện tượng vật lý từ các nguyên lý đầu tiên. Chúng cũng giải thích vì sao các nền vật chất mịn nhất của Hộp cát tốn nhiều sức mạnh tính toán đến vậy.
QCD mạng tinh thể
Quark và gluon trên một lưới bốn chiều gồm các điểm không-thời gian, dùng để tính khối lượng và tính chất của proton, neutron và các hadron khác chỉ từ lực mạnh.
Câu hỏi nó trả lời: Khối lượng của một proton là bao nhiêu, bắt đầu chỉ từ lý thuyết?
Bỏ qua: Khoảng cách lưới và kích thước hộp là những thỏa hiệp. Kết quả được ngoại suy về giới hạn liên tục và thể tích vô hạn, nhưng không bao giờ chạm tới.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược một phần được cấp của siêu máy tính quốc gia, vài tuần trên một phân vùng lớn.Từ: 1979 Nghiên cứu Monte Carlo của Creutz về lý thuyết chuẩn mạng SU(2) thuần túy, không có quark; quark được đưa vào sau nguồnTrong cây mô phỏng: Monte Carlo trên mạng cho trường chuẩn
Tạo sự kiện máy va chạm
Mỗi va chạm proton - proton trong một máy gia tốc, từ lần tán xạ cứng qua các chùm thác parton đến tia hadron đến được máy dò.
Câu hỏi nó trả lời: Dữ liệu sẽ trông thế nào nếu một hạt mới được đề xuất là có thật?
Bỏ qua: Xấp xỉ sự giao thoa lượng tử giữa mọi quá trình đóng góp bằng cách chỉ giữ lại những quá trình chiếm ưu thế, với các tham số được chỉnh cho khớp dữ liệu quá khứ.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm tính toán lưới, xử lý hàng tỷ vụ va chạm mô phỏng.Từ: 1982 các bộ tạo sự kiện chùm thác parton bằng máy tính đời đầu cho vật lý máy va chạm.
Đáp ứng của máy dò
Mọi hạt rời khỏi một vụ va chạm, được tính qua các lớp silicon, nhiệt lượng kế và nam châm, để lại năng lượng trên đường đi.
Câu hỏi nó trả lời: Máy dò sẽ bỏ sót những tín hiệu thật nào, và làm giả những tín hiệu nào?
Bỏ qua: Giả định hình học và hiệu chuẩn của máy dò đúng y như thiết kế, trong khi cáp lão hóa và tổn thương bức xạ làm chúng xuống cấp dần.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học hoặc tính toán lưới, hàng triệu giờ CPU mỗi năm.Từ: 1974 Mã vận chuyển hạt tổng quát đầu tiên của CERN cho thiết kế máy dò.
Chùm thác khí quyển của tia vũ trụ
Một hạt từ không gian có năng lượng rất lớn va vào thượng tầng khí quyển và bùng thành hàng tỷ hạt thứ cấp trên đường đi xuống.
Câu hỏi nó trả lời: Loại hạt nào, từ xa bao nhiêu, đã tạo ra mẫu mà máy dò mặt đất của chúng ta thấy?
Bỏ qua: Dựa trên mô hình va chạm được ngoại suy xa hơn mọi mức năng lượng mà một máy gia tốc từng thử.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược một cụm máy nhỏ hoặc máy trạm mạnh, vài giờ cho mỗi bộ chùm thác.Từ: 1961 các mô hình Monte Carlo đời đầu về chùm thác hạt tia vũ trụ.
Động lực học chùm tia máy gia tốc
Những chùm hạt tích điện quay vòng qua các nam châm hàng triệu vòng, bị đẩy bởi các trường và bởi nhau.
Câu hỏi nó trả lời: Chùm tia có giữ hội tụ chặt không, hay dần phân kỳ và đập vào thành?
Bỏ qua: Lý tưởng hóa các nam châm như được chế tạo đúng thông số, trong khi nam châm thật có sai số chế tạo nhỏ vốn quan trọng qua hàng triệu vòng.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm để bàn hoặc cụm máy nhỏ, vài phút cho mỗi thiết kế mạng tinh thể.Từ: 1959 các nghiên cứu theo dõi quỹ đạo bằng máy tính đời đầu cho những synchrotron hội tụ mạnh đầu tiên.
Mô phỏng máy dò neutrino
Ánh sáng hay điện tích từ một neutrino tương tác sâu trong bể nước, băng hoặc chất lỏng, được theo dõi qua máy dò để biết một sự kiện thật trông ra sao.
Câu hỏi nó trả lời: Loại neutrino này sẽ để lại tín hiệu gì, và ta có phân biệt được nó với nền không?
Bỏ qua: Dây cáp, bọt khí và lớp đá phủ phía trên của một máy dò thật thêm vào nhiễu mà không mô phỏng nào lường trước hết được.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học hoặc của một nhóm hợp tác, vài tuần cho mỗi thiết kế máy dò.Từ: 1987 các mô phỏng máy dò được xây để diễn giải đợt bùng neutrino của siêu tân tinh năm 1987.
Mô hình sinh chùm thác nhiệt lượng kế
Một mạng nơ-ron huấn luyện trên các lần chạy vận chuyển hạt đầy đủ, tạo ra phần năng lượng một chùm thác để lại trong máy dò với một phần rất nhỏ chi phí.
Câu hỏi nó trả lời: Một bộ sinh đã huấn luyện có thể thay cho phần chậm nhất của mô phỏng máy dò không?
Bỏ qua: Nó tái tạo thống kê của các lần chạy huấn luyện, chứ không phải vật lý mới, và trôi dạt ngoài các mức năng lượng nó đã thấy.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược Huấn luyện trên hàng triệu trận mưa hạt đầy đủ, rồi lấy mẫu với chi phí thấpTừ: 2017 CaloGAN, a generative adversarial network for 3D electromagnetic showers (2017) nguồn
Lấy mẫu dựa trên dòng cho lý thuyết trường mạng
Một dòng chuẩn hóa đã huấn luyện đề xuất cả cấu hình trường trên một mạng tinh thể, sau đó được hiệu chỉnh bằng một bước chấp nhận hoặc từ chối chính xác để câu trả lời không bị chệch.
Câu hỏi nó trả lời: Các bộ lấy mẫu học được có thể thắng hiện tượng chậm dần tới hạn của Monte Carlo mạng tinh thể thông thường không?
Bỏ qua: Chủ yếu được chứng minh trong các lý thuyết đồ chơi ít chiều; chi phí huấn luyện tăng nhanh theo thể tích mạng.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược Huấn luyện cộng với các tập hợp mạng tinh thể lớnTừ: 2019 Flow-based generative models for Markov chain Monte Carlo in lattice field theory (2019) nguồn
Cấu trúc hạt nhân
Proton và neutron liên kết trong một hạt nhân, tính từ các lực giữa chúng.
Câu hỏi nó trả lời: Những đồng vị nào có thể tồn tại, và chúng có hình dạng gì?
Bỏ qua: Lực giữa các nucleon vẫn chưa được biết chính xác, nên mọi hạt nhân đều được tính từ một phép gần đúng của nó.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài ngày cho một hạt nhân nặng.Từ: 1965 các phép tính chéo hóa mô hình vỏ đời đầu trên máy tính lớn.
Vật lý lõi lò phản ứng
Neutron sinh ra, tán xạ, bị hấp thụ và tách hạt nhân bên trong lò phản ứng điện, ghép với dòng nhiệt và chất làm mát.
Câu hỏi nó trả lời: Phản ứng dây chuyền có giữ ổn định khi nhiên liệu cháy cạn không?
Bỏ qua: Không thể nắm bắt hết mọi vết nứt, mối hàn và đường dòng chảy trong một lò phản ứng thật đã già.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học hoặc ngành công nghiệp, vài giờ cho mỗi chu kỳ lõi.Từ: 1948 Những lần chạy neutron Monte Carlo đầu tiên của Ulam, von Neumann và Metropolis trên ENIAC.
Vận chuyển bức xạ
Các hạt đi qua vật chất, từng tương tác một: chùm xạ trị trong người bệnh, tia vũ trụ trong thân tàu vũ trụ.
Câu hỏi nó trả lời: Bao nhiêu liều rơi vào khối u, và bao nhiêu rơi vào mọi thứ xung quanh?
Bỏ qua: Coi cơ thể hay thân tàu như một hình học cố định, bỏ qua chuyển động của nó trong lúc chiếu xạ, như hô hấp.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm vật lý của bệnh viện hoặc cụm máy nhỏ, vài phút cho mỗi kế hoạch.Từ: 1968 các phép tính liều Monte Carlo đầu tiên được đề xuất cho lập kế hoạch xạ trị.
An toàn tới hạn hạt nhân
Vận chuyển neutron Monte Carlo qua vật liệu phân hạch được lưu trữ hoặc xử lý, kiểm tra rằng không thể vô tình bắt đầu phản ứng dây chuyền.
Câu hỏi nó trả lời: Liệu cách sắp xếp vật liệu phân hạch này có thể tới hạn do tai nạn không?
Bỏ qua: Giả định hình học và vật liệu ghi trong tờ khai khớp với thứ thực sự có mặt, nên kết quả chỉ đáng tin bằng hồ sơ tài liệu.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm để bàn; vài phút đến vài giờ cho mỗi cấu hình.Từ: 1957 các phép tính tới hạn bằng máy tính đời đầu sau khi các tai nạn thời chiến thúc đẩy các quy tắc an toàn chính thức.
Kích hoạt phóng xạ và chuỗi phân rã
Vật liệu tiếp xúc với neutron hoặc bức xạ tạo ra các đồng vị phóng xạ mới, rồi phân rã qua chuỗi dần về trạng thái bền.
Câu hỏi nó trả lời: Vật liệu này sẽ phóng xạ đến mức nào, và trong bao lâu, sau khi bị chiếu xạ?
Bỏ qua: Dữ liệu hạt nhân cho các đồng vị hiếm, sống ngắn thì chắp vá hơn so với loại phổ biến, nên các con đường phụ phải dựa nhiều vào phỏng đoán.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược một máy tính xách tay; một phép tính cả chuỗi phân rã mất vài giây.Từ: 1962 các mã máy tính đời đầu về kích hoạt và phân rã trong vật liệu lò phản ứng.
Neutron học lớp phủ sinh nhiên liệu nhiệt hạch
Neutron từ phản ứng nhiệt hạch chậm dần trong lớp phủ xung quanh, sinh ra nhiên liệu tritium và tỏa nhiệt sẽ chạy tuabin.
Câu hỏi nó trả lời: Lớp phủ có sinh đủ tritium để giữ cho lò phản ứng có nhiên liệu không?
Bỏ qua: Mô hình hóa theo một thiết kế chưa tồn tại ở quy mô đầy đủ, nên hành vi vật liệu then chốt được ngoại suy.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi biến thể thiết kế.Từ: 1980 các nghiên cứu neutron học đời đầu cho lớp phủ của lò phản ứng nhiệt hạch được đề xuất.
Lý thuyết trường hiệu dụng mạng tinh thể hạt nhân
Proton và neutron đặt trên một mạng không-thời gian và tương tác qua một lý thuyết hiệu dụng chiral, giải bằng Monte Carlo để cho cấu trúc hạt nhân.
Câu hỏi nó trả lời: Các trạng thái kích thích của hạt nhân nhẹ, như trạng thái Hoyle của carbon-12, có thể được tính từ lực giữa các nucleon không?
Bỏ qua: Giới hạn ở các hạt nhân nhẹ và trung bình; vấn đề dấu hạn chế những hệ có thể tiếp cận.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược Các lần chạy Monte Carlo lớn trên máy hàng đầuTừ: 2011 Ab initio calculation of the Hoyle state (2011) nguồn
Động lực học trường trung bình hạt nhân phụ thuộc thời gian
Các hạt nhân va chạm và phân hạch được theo dõi theo thời gian thực, mỗi nucleon chuyển động trong trường trung bình của tất cả các nucleon còn lại khi nó tiến hóa.
Câu hỏi nó trả lời: Điều gì xảy ra với hai hạt nhân khi chúng chạm nhau, hợp nhất hoặc bật ra?
Bỏ qua: Một trường trung bình không thể mô tả hiệu ứng đường hầm lượng tử giữa các kết cục khác nhau hay những thăng giáng làm chia tách sản phẩm phân hạch.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược các lần chạy phụ thuộc thời gian kiểu Skyrme ba chiều trên một cụm máy tính.Từ: 1976 Phép tính Hartree-Fock phụ thuộc thời gian một chiều của Bonche, Koonin và Negele về các va chạm hạt nhân. nguồn
Động lực học “pasta” của vỏ sao neutron
Lớp sâu nhất của lớp vỏ sao neutron, nơi neutron và proton tạo thành thanh và tấm, được theo dõi bằng động lực học phân tử để tìm độ cứng và cách nó tán xạ neutrino.
Câu hỏi nó trả lời: Vật chất có những hình dạng nào ở đáy lớp vỏ sao neutron?
Bỏ qua: Tương tác nucleon là một thế năng khớp đơn giản và hộp nhỏ hơn nhiều so với một lớp vỏ thật.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược động lực học phân tử của hàng chục nghìn nucleon, lặp lại qua nhiều mật độ.Từ: 2004 Horowitz, Perez-Garcia và Piekarewicz, động lực học phân tử của vật chất giàu neutron không đồng nhất và độ mờ neutrino của nó. nguồn
Sự hỗn loạn plasma nhiệt hạch
Một plasma hydro nóng hơn lõi Mặt Trời, được giam giữ bằng từ trường, cùng với sự vận chuyển hỗn loạn gây mất nhiệt.
Câu hỏi nó trả lời: Cỗ máy phải lớn đến mức nào trước khi nó tạo ra nhiều năng lượng hơn nó tiêu thụ?
Bỏ qua: Sự hỗn loạn đầy đủ ở quy mô lò phản ứng vẫn quá đắt, nên hầu hết các lần chạy mô phỏng một lát cắt rồi ngoại suy.
Chạy trên: khoảng 1017 FLOPS sơ lược một siêu máy tính quốc gia, một phần cấp phát lớn trong nhiều tuần.Từ: 1983 các mã nhiễu loạn con quay động học đời đầu cho plasma tokamak.
Plasma particle-in-cell
Hàng triệu đại hạt mang điện chuyển động qua điện trường và từ trường lưu trên một lưới, dùng cho laser bắn vào plasma và gia tốc trường kích.
Câu hỏi nó trả lời: Một sóng plasma có thể gia tốc electron trong vài centimet thay vì vài kilômét không?
Bỏ qua: Mỗi hạt mô phỏng đại diện cho nhiều hạt thật, làm mờ độ hạt mịn của một plasma thật.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm GPU lớn, vài ngày cho một lần chạy trường sau đầy đủ.Từ: 1959 Những lần chạy plasma hạt trong ô tĩnh điện đầu tiên của Buneman và Dawson.
Cân bằng và ổn định plasma
Toàn bộ hình dạng của một plasma bị giam từ tính, được kiểm tra so với áp suất và dòng điện nó có thể chịu được trước khi xoắn, đứt hay sụp.
Câu hỏi nó trả lời: Cấu hình plasma này sẽ giữ được hình dạng hay sụp đổ?
Bỏ qua: Các gián đoạn thật thường bắt đầu từ những khiếm khuyết và tạp chất nhỏ mà một cân bằng lý tưởng không bao gồm.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài giờ cho mỗi lần quét cân bằng.Từ: 1958 các trạng thái cân bằng tính toán đời đầu cho những thiết bị giam từ đầu tiên.
Nén nổ giam giữ quán tính
Một viên nang nhiên liệu nhỏ bị bức xạ cường độ cao ép vào trong cho đến khi đủ nóng và đặc để nhiệt hạch, được mô hình hóa như bức xạ, thủy động lực học và plasma cháy cùng lúc.
Câu hỏi nó trả lời: Nhiên liệu có nén đủ đều để bốc cháy trước khi tự nổ tung không?
Bỏ qua: Những bất đối xứng nhỏ xíu trong bộ dẫn động gieo mầm cho các bất ổn phá vỡ đối xứng cầu mà các lần chạy đơn giản nhất giả định.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn hoặc một phân vùng siêu máy tính, vài ngày cho mỗi thiết kế.Từ: 1972 các mô phỏng thủy động lực học bức xạ đời đầu về các viên nang nhiên liệu do laser điều khiển.
Tái kết nối từ
Các đường sức từ trong plasma đứt ra và nối lại, biến năng lượng từ trường tích trữ thành nhiệt và hạt nhanh.
Câu hỏi nó trả lời: Các đường sức từ thực sự có thể đứt và nối lại nhanh đến mức nào?
Bỏ qua: Quá trình thật trải qua các quy mô từ quỹ đạo electron đến cả hệ sao mà không một lần chạy nào bao quát hết cùng lúc.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một cụm máy của trường đại học, vài ngày cho một sự kiện tái kết nối.Từ: 1963 các mô hình tính toán đời đầu về tái kết nối đường sức theo lý thuyết của Sweet và Parker.
Xử lý plasma công nghiệp
Ion và các loại phản ứng trong plasma nhiệt độ thấp va vào và khắc một bề mặt, dùng để tạo hình vật liệu với độ chính xác vi mô.
Câu hỏi nó trả lời: Plasma có khắc hay phủ đều bề mặt không?
Bỏ qua: Hóa học bề mặt ở thành buồng vẫn được đơn giản hóa, thấp hơn nhiều so với mức chi tiết của một buồng bị nhiễm bẩn thật.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm hoặc cụm máy nhỏ, vài giờ cho mỗi công thức quy trình.Từ: 1985 các mô hình máy tính đời đầu về khắc plasma để xử lý bề mặt.
Gia tốc trường kích laser
Các lần chạy particle-in-cell của một xung laser cường độ cao kích sóng plasma bắt và gia tốc electron qua vài milimét.
Câu hỏi nó trả lời: Làm sao một sóng plasma có thể gia tốc electron đến năng lượng cao trong một khoảng cách rất ngắn?
Bỏ qua: Sự ion hóa, phản ứng bức xạ và những khiếm khuyết của laser và bia thường được lý tưởng hóa.
Chạy trên: khoảng 1018 FLOPS sơ lược Mô phỏng hạt trong ô (particle-in-cell) 3D, hàng tỷ hạt qua nhiều chu kỳ sóngTừ: 2002 Mô phỏng chế độ sóng vỡ (bọt) phi tuyến mạnh (2002) nguồn
Tối ưu hóa cấu hình stellarator
Hình dạng của một bình từ xoắn cho plasma nhiệt hạch, được máy tính điều chỉnh cho đến khi quỹ đạo hạt bị giam giữ và cân bằng ổn định mà không cần dòng điện điều khiển.
Câu hỏi nó trả lời: Hình dạng từ trường ba chiều nào giam giữ plasma nóng tốt nhất?
Bỏ qua: Các hình dạng được tối ưu được đánh giá trên cân bằng lý tưởng; nhiễu loạn và dung sai cuộn dây đến sau và thường làm hỏng kết quả.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược hàng nghìn phép tính cân bằng và quỹ đạo trong một vòng lặp tối ưu hóa.Từ: 1988 Các thiết bị stellarator đối xứng gần xoắn ốc được tính toán của Nuhrenberg và Zille. nguồn
Mô hình hóa bệ rìa tokamak và ELM
Lớp dốc đứng ở rìa plasma tokamak và những đợt bùng phát định kỳ ném nhiệt lên thành, được tính từ độ ổn định từ-thủy động lực học của vùng rìa.
Câu hỏi nó trả lời: Áp suất rìa có thể leo cao đến đâu trước khi plasma bùng nổ?
Bỏ qua: Các ngưỡng ổn định được dự báo tốt, nhưng toàn bộ đợt bùng phát phi tuyến, với vật lý động năng và vật lý thành, vẫn nằm ngoài khả năng dự báo thường quy.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược các lần chạy MHD mở rộng phi tuyến của một vụ bùng phát trên một suất cấp phát lớn.Từ: 2002 Mô hình bóc tách-phồng của Snyder và cộng sự về các mode cục bộ ở rìa và bệ plasma. nguồn
Mô hình hóa toàn bộ thiết bị tokamak
Các mô hình sưởi, vận chuyển, cân bằng, biên và thành cho cả một thiết bị nhiệt hạch, nối lại thành một quy trình tích hợp dự đoán trọn một lần phóng điện.
Câu hỏi nó trả lời: Có thể dự đoán một lần phóng điện plasma hoàn chỉnh trước khi cỗ máy được xây không?
Bỏ qua: Hầu hết các mô-đun là mô hình rút gọn chỉnh theo các máy trước đây, nên dự đoán cho một chế độ mới mang độ bất định lớn.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược các mô-đun thu gọn và độ trung thực cao ghép đôi chạy cho một lần phóng điện trọn vẹn.Từ: 2015 Imbeaux và các đồng nghiệp, bộ công cụ mô hình hóa và phân tích tích hợp cho ITER, những ứng dụng đầu tiên của một mô hình dữ liệu chuẩn liên kết các mô-đun như vậy. nguồn
Mô phỏng sóng xung kích không va chạm
Sóng xung kích trong plasma không gian nơi các hạt không bao giờ va chạm, với ion được theo dõi từng hạt và electron như chất lỏng, để mặt sóng xung kích hình thành chỉ từ các trường.
Câu hỏi nó trả lời: Các ion được gia tốc thế nào tại một sóng xung kích nơi không có gì va chạm?
Bỏ qua: Các electron được coi là một chất lưu và hộp là một mảng nhỏ của sóng xung kích, nên cấu trúc quy mô lớn bị thiếu.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược các lần chạy động học lai lớn ở hai hoặc ba chiều.Từ: 1985 Mô phỏng lai của Quest về các sóng xung kích vuông góc không va chạm có số Mach cao. nguồn
Mô phỏng plasma bụi và hệ Yukawa
Các hạt tích điện lơ lửng trong plasma, được mô hình hóa như những hạt đẩy nhau qua một thế bị chắn, đóng băng thành tinh thể hoặc tan thành chất lỏng.
Câu hỏi nó trả lời: Ở cường độ liên kết nào thì một đám hạt tích điện kết tinh?
Bỏ qua: Thế năng đẩy bị chắn thay thế plasma và bỏ qua vệt sau và sự tích điện của hạt mà các đám bụi thật cho thấy.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược động lực học phân tử của tới một triệu hạt trong thời gian dài.Từ: 1994 Hamaguchi và Farouki, nhiệt động lực học của các hệ Yukawa liên kết mạnh từ Monte Carlo và động lực học phân tử. nguồn
Mô phỏng plasma một thành phần
Các điện tích nhúng trong một nền trung hòa đồng nhất, được mô phỏng để tìm phương trình trạng thái và sự kết tinh của vật chất đặc bên trong sao lùn trắng và các hành tinh khổng lồ.
Câu hỏi nó trả lời: Ở mật độ nào thì vật chất sao đặc đóng băng?
Bỏ qua: Nền electron đồng nhất thay thế cho các electron thật có thể phân cực.
Chạy trên: khoảng 1010 FLOPS sơ lược Monte Carlo của hàng chục nghìn ion, khiêm tốn so với tiêu chuẩn hiện đại.Từ: 1966 Nghiên cứu Monte Carlo của Brush, Sahlin và Teller về một plasma một thành phần. nguồn
Điều khiển plasma học máy trong mô phỏng
Một bộ điều khiển học tăng cường tập tạo hình và giữ một plasma tokamak bằng cách ra lệnh cho các cuộn từ trong một mô phỏng nhanh về trạng thái cân bằng và tiến hóa của nó, rồi được chạy trên thiết bị thật.
Câu hỏi nó trả lời: Một bộ điều khiển được học hoàn toàn trong mô phỏng có thể giữ một plasma nóng theo hình dạng yêu cầu không?
Bỏ qua: Mô hình huấn luyện bỏ qua nhiễu loạn và các bất ổn nhanh, nên bộ điều khiển chỉ đáng tin trong các điều kiện nó nắm được.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược vài ngày huấn luyện trên vài trăm bộ tăng tốc, chạy mô hình plasma hàng triệu lần.Từ: 2022 Bộ điều khiển học tăng cường sâu của Degrave và các đồng nghiệp được huấn luyện trong mô phỏng và chạy trên một tokamak. nguồn
Hệ lượng tử nhiều hạt
Nhiều electron hay spin tương tác trên một mạng tinh thể, được xử lý bằng mạng tensor và Monte Carlo lượng tử vì trạng thái chính xác quá lớn để lưu trữ.
Câu hỏi nó trả lời: Vì sao một số vật liệu siêu dẫn, và liệu có vật liệu nào làm được ở nhiệt độ phòng?
Bỏ qua: Mạng tensor và Monte Carlo lượng tử đều thất bại ở một số hệ thú vị nhất có tính frustration hoặc fermion.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn hoặc một phân vùng siêu máy tính, vài ngày cho mỗi vật liệu.Từ: 1980 Monte Carlo lượng tử chính xác đầu tiên của Ceperley và Alder cho khí electron.
Mô phỏng máy tính lượng tử
Một máy tính cổ điển lưu toàn bộ trạng thái lượng tử của một thanh ghi qubit và áp các cổng lên đó. Bộ nhớ tăng gấp đôi với mỗi qubit thêm vào.
Câu hỏi nó trả lời: Thuật toán lượng tử này có hoạt động trước khi ai đó chế tạo phần cứng để chạy nó không?
Bỏ qua: Bộ nhớ cần thiết tăng gấp đôi với mỗi qubit thêm, nên nó chỉ có thể mô phỏng các trường hợp nhỏ không có lợi thế lượng tử.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một nút cụm máy nặng về bộ nhớ; chi phí tăng gấp đôi với mỗi qubit thêm.Từ: 1996 các trình mô phỏng cổ điển đời đầu của các mạch lượng tử nhỏ.
Mô phỏng lượng tử tương tự
Một hệ lượng tử điều khiển được, như các nguyên tử siêu lạnh trong mạng ánh sáng laser, được chỉnh để cư xử như một hệ khác quá khó tính.
Câu hỏi nó trả lời: Nếu một máy tính cổ điển không giải được mô hình, liệu có thể làm cho một hệ vật lý điều khiển được giải nó thay thế?
Bỏ qua: Chỉ cho biết về đúng một mô hình mà nó được dựng để mô phỏng, chưa chắc về vật liệu thật đã gợi ra nó.
Chạy trên: không có máy tính. chính các nguyên tử tự tính toán; một máy tính điều khiển chỉ ghi lại kết quả.Từ: 2002 Chuyển pha từ siêu lỏng sang chất cách điện Mott của các nguyên tử siêu lạnh trong mạng quang học do Greiner và các đồng nghiệp thực hiện, sau này được xem là một mô phỏng lượng tử tương tự thuở ban đầu nguồnTrong cây mô phỏng: Mô phỏng lượng tử bằng nguyên tử lạnh
Sửa lỗi lượng tử
Các qubit của một máy tính lượng tử và nhiễu làm hỏng chúng, được kiểm tra với một mã được thiết kế để phát hiện và sửa lỗi trước khi chúng lan rộng.
Câu hỏi nó trả lời: Mã sửa lỗi này có thực sự bảo vệ phép tính, với nhiễu thực tế không?
Bỏ qua: Nhiễu thật có tương quan và trôi dạt theo thời gian theo cách mà các mô hình lý tưởng hiếm khi nắm bắt.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược một nút cụm máy nặng về bộ nhớ; mã càng lớn càng tốn hơn nhiều.Từ: 1996 các mô phỏng đời đầu thử những mã sửa lỗi được đề xuất đầu tiên.
Vật chất lượng tử tô-pô
Các electron trên một mạng sắp xếp sao cho trạng thái tập thể của chúng phụ thuộc vào hình dạng tổng thể thay vì chi tiết cục bộ, được tính để tìm các trạng thái Hall lượng tử và các pha tô pô khác.
Câu hỏi nó trả lời: Vật liệu này có chứa một pha vật chất được bảo vệ bởi tô pô của nó thay vì đối xứng không?
Bỏ qua: Phân biệt một trạng thái tô-pô thật sự với một trạng thái thường rất giống có thể phụ thuộc vào độ chính xác số mà hầu hết các lần chạy không đạt tới được.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược một cụm máy lớn hoặc một phân vùng siêu máy tính, vài ngày cho mỗi hệ ứng viên.Từ: 1988 các nghiên cứu số đời đầu sau phát hiện lý thuyết về trật tự tô pô.
Động lực học của khí nguyên tử siêu lạnh
Một đám nguyên tử được làm lạnh cho đến khi chúng chia sẻ chung một hàm sóng lượng tử, tiến triển theo phương trình trường trung bình mô tả ngưng tụ Bose-Einstein.
Câu hỏi nó trả lời: Chất ngưng tụ dao động, tách ra hoặc tạo xoáy thế nào khi bị nhiễu loạn?
Bỏ qua: Phương trình trường trung bình bỏ sót các tương quan giữa từng nguyên tử vốn quan trọng gần một chuyển pha.
Chạy trên: khoảng 1013 FLOPS sơ lược một máy trạm; vài phút đến vài giờ cho mỗi đám mây bị giam giữ.Từ: 1995 mô hình hóa xây dựng quanh các ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên trong phòng thí nghiệm.
Mô phỏng lượng tử số trên phần cứng
Một máy tính lượng tử gồm các qubit điều khiển được chạy một chuỗi cổng bắt chước sự tiến hóa của một hệ khác như vậy.
Câu hỏi nó trả lời: Một thiết bị lượng tử lập trình được có thể tái tạo động lực học của một mô hình quá lớn đối với bộ nhớ cổ điển không?
Bỏ qua: Nhiễu giới hạn độ sâu, và xấp xỉ Trotter tự nó gây ra sai số.
Chạy trên: không có máy tính. Phần cứng lượng tử, không phải FLOPS cổ điển; kiểm chứng trên máy thông thường chỉ ở kích thước nhỏTừ: 2011 Universal digital quantum simulation with trapped ions (2011) nguồn
Lý thuyết chuẩn trên mạng, chạy trên phần cứng lượng tử
Một máy tính lượng tử vài qubit tiến hóa một lý thuyết chuẩn trên mạng tinh thể theo thời gian thực, một việc khó với Monte Carlo cổ điển vì bài toán dấu.
Câu hỏi nó trả lời: Động lực học thời gian thực của một lý thuyết chuẩn có thể được chạy trên một máy tính lượng tử không?
Bỏ qua: Mới chỉ có một chiều không gian và một số ít vị trí.
Chạy trên: không có máy tính. Số qubit nhỏ; chi phí đối chiếu bằng máy tính cổ điển tăng theo hàm mũTừ: 2016 Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer (2016) nguồn
Trạng thái lượng tử mạng nơ-ron
Một mạng nơ-ron biểu diễn hàm sóng của một hệ nhiều hạt, và các tham số của nó được tinh chỉnh bằng Monte Carlo biến phân để tìm trạng thái cơ bản và động lực học.
Câu hỏi nó trả lời: Một mạng nơ-ron có thể mã hóa gọn một trạng thái lượng tử quá lớn để lưu chính xác không?
Bỏ qua: Độ chính xác phụ thuộc vào thiết kế mạng, và việc tối ưu hóa có thể kẹt ở các cực tiểu kém.
Chạy trên: khoảng 1016 FLOPS sơ lược Huấn luyện bằng Monte Carlo biến phân trên các bộ tăng tốcTừ: 2016 Solving the quantum many-body problem with artificial neural networks (2016) nguồn
Động lực xoáy siêu dẫn
Các ống từ thông xuyên qua chất siêu dẫn loại II, được theo dõi khi chúng di chuyển, bị ghim vào khuyết tật và tiêu tán năng lượng, dùng lý thuyết trường phụ thuộc thời gian cho trạng thái siêu dẫn.
Câu hỏi nó trả lời: Các xoáy từ chuyển động và bị kẹt lại bên trong chất siêu dẫn thế nào?
Bỏ qua: Lý thuyết trường hiện tượng luận bỏ qua hành vi vi mô của electron và chỉ đúng gần nhiệt độ chuyển pha.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược các lần chạy Ginzburg-Landau phụ thuộc thời gian ba chiều trên một cụm máy tính.Từ: 1996 Gropp và các đồng nghiệp, mô phỏng số về động lực học xoáy trong chất siêu dẫn loại II. nguồn
Monte Carlo tích phân đường cho chất lỏng lượng tử
Mỗi hạt lượng tử được biểu diễn như một vòng các bản sao liên kết, lấy mẫu ở nhiệt độ hữu hạn để tính heli siêu lỏng và các chất lỏng boson khác chỉ từ tương tác.
Câu hỏi nó trả lời: Vì sao heli lỏng chảy không ma sát dưới hai kelvin?
Bỏ qua: Các fermion gặp bài toán dấu, nên electron và heli-3 cần các phép gần đúng gây ra sai số không kiểm soát được.
Chạy trên: khoảng 1014 FLOPS sơ lược hàng tỷ mẫu đường đi cho một chất lỏng khối.Từ: 1984 Mô phỏng tích phân đường của Pollock và Ceperley cho hệ lượng tử nhiều hạt và helium siêu lỏng. nguồn
Mô phỏng mạch bộ ổn định
Một máy tính cổ điển theo dõi một mạch lượng tử chỉ gồm các cổng Clifford bằng cách lần theo cách một bảng nhỏ các toán tử Pauli thay đổi, thay vì lưu toàn bộ trạng thái. Nhờ vậy có thể chạy các mạch sửa lỗi với hàng nghìn qubit.
Câu hỏi nó trả lời: Một mã sửa lỗi hỏng thường xuyên đến mức nào khi mọi cổng, phép đo và bước chờ đều có nhiễu?
Bỏ qua: Chỉ các mạch gồm phép toán Clifford và phép đo Pauli mới theo dõi được theo cách này, nên tính toán lượng tử phổ quát nằm ngoài tầm với.
Chạy trên: khoảng 1012 FLOPS sơ lược hàng triệu lần đo (shot) có nhiễu của một mảnh mã lớn trên cụm máy trạm.Từ: 2004 Thuật toán cải tiến của Aaronson và Gottesman để mô phỏng các mạch ổn định trong thời gian đa thức. nguồn
Bộ giải mã sửa lỗi học máy
Một mạng nơ-ron được huấn luyện trên các mẫu lỗi mô phỏng của một mã lượng tử để đọc các hội chứng đã đo và suy ra cần áp dụng phép sửa nào.
Câu hỏi nó trả lời: Một bộ giải mã học được có thể sửa lỗi trong bộ nhớ lượng tử nhanh hơn hoặc chính xác hơn một thuật toán thiết kế tay không?
Bỏ qua: Bộ giải mã chỉ biết mô hình nhiễu mà nó được huấn luyện, còn phần cứng thật trôi dạt và có những lỗi tương quan mà mô phỏng không đưa vào.
Chạy trên: khoảng 1015 FLOPS sơ lược huấn luyện trên hàng tỷ hội chứng mô phỏng trên các nút GPU.Từ: 2016 Bộ giải mã nơ-ron của Torlai và Melko cho các mã tô-pô (arXiv 2016, xuất bản 2017). nguồn
Mô phỏng mạng lượng tử
Các nút giữ qubit, liên kết vướng víu và kênh photon nhiễu được mô hình hóa như các sự kiện rời rạc theo thời gian, để kiểm thử các giao thức chia sẻ vướng víu qua một mạng.
Câu hỏi nó trả lời: Hai nút ở xa nhau có thể chia sẻ vướng víu nhanh và trung thực đến mức nào qua các bộ lặp và sợi quang có suy hao?
Bỏ qua: Nhiễu phần cứng được rút gọn thành vài mô hình có tham số, và chưa có mạng nào ở quy mô lớn để đối chiếu các tốc độ dự đoán.
Chạy trên: khoảng 1011 FLOPS sơ lược nhiều lần chạy dài của một giao thức mạng trên một máy chủ.Từ: 2021 NetSquid của Coopmans và các đồng nghiệp, một trình mô phỏng sự kiện rời rạc cho mạng lượng tử. nguồn