Квантовый алгоритм помог решить проблему моделирования ядерных реакторов
Учёные разработали новый метод квантовых вычислений, который может упростить моделирование движения частиц внутри ядерных реакторов и радиационных защитных систем. Алгоритм позволяет напрямую переводить сложную геометрию физических объектов в квантовые данные, устраняя одну из главных вычислительных проблем при использовании квантовых компьютеров.
Разработку представила компания Quantum X Labs в рамках своего направления Nuclear Quantum. Исследователи создали алгоритм, который описывает форму объектов и распределение материалов внутри них без необходимости разбивать модель на миллиарды маленьких цифровых элементов.
При моделировании ядерных систем учёным необходимо отслеживать движение нейтронов и фотонов через самые разные среды — от плотных металлов до жидкостей и пустот. Реальные конструкции реакторов имеют сложную форму с множеством границ и неоднородностей, поэтому традиционные методы требуют огромных вычислительных ресурсов.
Обычно для таких расчётов объект разделяют на большое количество небольших ячеек, после чего компьютер постепенно отслеживает прохождение частиц через каждую область. Однако при использовании квантовых компьютеров возникает дополнительная проблема — сначала необходимо загрузить описание всей физической системы в квантовые состояния.
Этот этап называется подготовкой состояния. Чем сложнее геометрия объекта, тем больше операций требуется для её представления в квантовом процессоре. Большое количество операций увеличивает вероятность ошибок, которые могут нарушить точность будущего расчёта.
Новый алгоритм решает эту проблему за счёт математического кодирования границ и плотности материалов непосредственно в квантовых состояниях. Вместо создания огромной цифровой сетки система использует более компактное описание пространственной структуры объекта.
После загрузки геометрии квантовый компьютер сможет рассчитывать движение частиц внутри модели: определять, когда частица сталкивается с поверхностью, проходит через материал или поглощается веществом с высокой плотностью.
По словам руководителя подразделения Nuclear Quantum Дэвида Шнайдерова, эффективное представление геометрии является одним из ключевых условий для применения квантовых алгоритмов к реальным физическим задачам.
«Эффективное кодирование геометрии имеет фундаментальное значение для того, чтобы квантовые алгоритмы переноса стали применимы к реалистичным физическим системам», — отметил он.
Разработка является частью более широкой программы Quantum X Labs по применению квантовых вычислений в ядерной физике. Движение частиц в таких системах зависит сразу от нескольких параметров, включая энергию, скорость, положение в пространстве и направление движения.
Исследователи считают, что решение проблемы представления геометрии станет основой для создания более сложных квантовых моделей трёхмерных ядерных систем, которые сегодня остаются слишком ресурсоёмкими даже для современных суперкомпьютеров.
В дальнейшем команда планирует объединить новый метод кодирования пространства с другими квантовыми алгоритмами, чтобы приблизить практическое моделирование процессов в ядерных реакторах и системах защиты от излучения.