Американский FRIB получил контракт от военно-морской ядерной лаборатории на разработку методов гибридных квантово-классических расчетов ядерных реакций

Исследовательский проект на установке FRIB (Facility for Rare Isotope Beams) Университета штата Мичиган, возглавляемый Ли Дианом, профессором физики FRIB, профессором кафедры физики и астрономии Университета штата Мичиган и директором отдела теоретической ядерной науки FRIB, получил поддержку в виде годичного контракта от военно-морской ядерной лаборатории. Лаборатория управляется компанией Fluor Marine Propulsion. Проект направлен на изучение возможностей сочетания квантовых и классических компьютеров для повышения точности прогнозирования взаимодействия нейтронов с веществом. Это также первый этап пятилетней программы по разработке и оценке новых вычислительных инструментов для ядерной науки.

В ядерно-физических исследованиях точное прогнозирование того, как нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами, является важной и сложной вычислительной задачей. Такие взаимодействия связаны с пониманием механизмов ядерных реакций и могут использоваться в таких областях, как проектирование реакторов, радиационная защита, производство изотопов и ядерная астрофизика. Существующие ядерные теории способны описывать соответствующие реакции, однако с увеличением размера ядер и усложнением их структуры требуемый объем вычислений быстро возрастает.

Для решения этой задачи команда Ли Диана планирует разработать гибридную вычислительную среду, объединяющую высокопроизводительные суперкомпьютеры с квантовыми компьютерами. Исследователи разработают новые методы моделирования Монте-Карло, которые смогут работать как на классических суперкомпьютерах, так и использовать квантовые компьютеры для эталонных расчетов результатов для небольших ядерных систем. В будущем эти инструменты могут быть использованы для более точного расчета процессов захвата нейтронов в сложных атомных ядрах.

Ли Диан отметил, что FRIB проводит обширные исследования в области решеточных симуляций Монте-Карло ядерной структуры и ядерных реакций, подготовки состояний в квантовых вычислительных алгоритмах, а также применения методов машинного обучения и искусственного интеллекта. Данный проект требует комплексного использования этих технологий и позволит дополнительно исследовать границы применения квантовых компьютеров в изучении ядерных реакций.

На первом этапе проекта основное внимание будет уделено проведению тестовых расчетов для небольших ядерных систем с использованием существующего квантового оборудования. Согласно пятилетней дорожной карте, по мере постепенного созревания соответствующих технологий исследования будут продвигаться к более масштабным и сложным расчетам реакций, что позволит повысить прогностические возможности в отношении свойств материалов для ядерно-энергетических применений.

Согласно имеющимся данным, военно-морская ядерная лаборатория уделяет внимание улучшению данных, связанных с материалами для ядерных реакторов, при этом те же физические принципы могут быть использованы для объяснения процессов быстрого захвата нейтронов. Этот процесс связан с реакциями с участием редких изотопов и имеет отношение к образованию многих тяжелых элементов во Вселенной, а также является одним из важных научных направлений FRIB.

FRIB эксплуатируется Университетом штата Мичиган и является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США, финансируемым его Отделом ядерной физики. FRIB проводит исследования редких изотопов на основе ускорителя тяжелых ионов; соответствующие работы служат целям ядерной физики, ядерной астрофизики, изучения фундаментальных взаимодействий, а также прикладных исследований в области медицины, национальной безопасности и промышленности.