Точка зрения: Квантовые вычисления и атомная промышленность: Перспективы

29 августа 2023 г.

Как объясняет профессор Пол Смит, технический директор Jacobs ANSWERS, исследовательский проект выявил потенциал квантовых вычислений для обеспечения значительных преимуществ при проектировании и эксплуатации радиационных объектов в ядерной, медицинской и космической промышленности.

Моделирование переноса радиации имеет основополагающее значение для ядерной физики и играет важную роль во всем: от проектирования и эксплуатации реакторов, изготовления топлива, его хранения, транспортировки, вывода из эксплуатации и геологического захоронения. Помимо ядерной энергетики и вывода из эксплуатации, она играет жизненно важную роль в ядерной медицине, космической промышленности, облучении пищевых продуктов и каротаже нефтяных скважин.

Коды Монте-Карло — это эталонный метод для создания моделирования и решения уравнений, позволяющий понять способ передачи физической энергии посредством поглощения, излучения и рассеяния электромагнитного излучения, известного как перенос излучения.

Коды предназначены для моделирования и понимания движения и взаимодействия радиационных частиц (таких как фотоны, нейтроны или заряженные частицы), когда они проходят через различные материалы и взаимодействуют с различными структурами.

Существует два основных подхода к решению уравнений переноса излучения. В детерминистическом подходе для решения математических уравнений используются традиционные численные методы – это предполагает ряд приближений. Альтернативный подход Монте-Карло включает в себя моделирование траекторий отдельных частиц, которое требует меньшего приближения, но для некоторых приложений является непомерно медленным. В таких случаях он используется для получения высокоточных решений для проверки точности детерминированных решений, которые, хотя и более приблизительны, но могут быть получены быстрее.

Служба программного обеспечения ANSWERS, входящая в состав компании Jacobs, возглавила проект по изучению потенциальных преимуществ квантовых вычислений для ускорения методов Монте-Карло.

Этот проект, поддерживаемый программой SparQ Национального центра квантовых вычислений Великобритании, которая поддерживает исследования новых приложений, был направлен на изучение преимуществ использования квантовых вычислений вместо традиционных цифровых вычислений для улучшения времени выполнения методов Монте-Карло, делая их более конкурентоспособными.

ANSWERS предоставляет и поддерживает коды MCBEND и MONK 3D Monte Carlo, которые широко используются во всем мире для радиационной защиты, оценки доз, ядерной безопасности и анализа физики реакторов. Например, программное обеспечение ANSWERS используется для поддержки проектирования и изготовления обоснований безопасности контейнеров для транспортировки радиоактивных материалов.

Несколько процессов вносят значительный вклад в вычислительные затраты при выполнении расчетов переноса излучения Монте-Карло, включая генерацию случайных чисел, поиск в ядерной базе данных, трассировку лучей и сам процесс Монте-Карло. Квантовые алгоритмы доступны или находятся в стадии разработки для каждого из этих процессов. Генерация квантовых случайных чисел имеет явное преимущество, заключающееся в генерации действительно случайных чисел на основе действительно случайных квантовых процессов, тогда как традиционные вычислительные методы способны генерировать только псевдослучайные числа или квазислучайные числа, которые могут быть подвержены тонким корреляциям, которые могут внести систематическую ошибку в расчеты. Результаты.

В то время как цифровые компьютеры работают с битами данных, равными 0 или 1, квантовые компьютеры работают с кубитами — квантово-механическими системами с двумя состояниями, которые могут находиться в суперпозиции состояний 0 и 1. Например, свет может быть поляризован горизонтально или вертикально (попробуйте смотреть на светодиодный телевизор через очки с поляризованными линзами и наклонять голову под разными углами). Если отдельный фотон света поляризован под углом 45 градусов к горизонтали, его можно рассматривать как находящийся в суперпозиции горизонтального и вертикального состояний.

Это позволяет квантовым компьютерам обрабатывать множество состояний за одну операцию, экспоненциально увеличивая свою вычислительную мощность и достигая сложного решения задач, которое невозможно на цифровых компьютерах. На практике многие квантовые алгоритмы предлагают квадратичное преимущество перед традиционными цифровыми компьютерами — например, квантовый алгоритм может выполнить за 1000 операций то, что при использовании традиционного алгоритма потребовалось бы миллион операций.