Некоторое время назад в PHYSICAL REVIEW RESEARCH вышла интересная статья о квантовых симуляциях физических реакций. И я очень хочу порассуждать на эту тему.
Зачем вообще нужна симуляция физического процесса? Проще всего будет пояснить ответ на этот вопрос на примере. Предположим, что мы хотим спроектировать сеть автомобильных дорог. Основная задача здесь понятна – нам нужен баланс между максимально возможной пропускной способностью сети, ее стоимостью и площадью покрытия. Очевидно, что идеальный вариант с точки зрения пропускной способности – это сделать многополосное шоссе возле каждого дома. Но это вряд ли будет разумно. Поэтому на практике мы точно должны знать, сколько автомобилей может оказаться на каждом участке дороги в каждый конкретный момент времени, и отсюда рассчитать, какой минимальной ширины должен оказаться этот участок дороги, где должны оказаться перекрестки и т.д. Рассчитать такую систему с учетом всех возможных подробностей вроде разных типов автомобилей, неадекватов на дорогах, похмельных гаишников и т.п. просто невозможно. Но можно создать упрощенную модель, которая позволит оценить возможности каждого варианта дорожной сети и выбрать оптимальный. В данном случае в качестве модели можно взять движение жидкости по системе труб разной длины и диаметров. Основное упрощение здесь понятно – жидкость несжимаема и не умеет рассуждать, т.е. мы сразу выбрасываем из модели условное внезапное желание вернуться домой, нарушения скоростного режим и т.п. Но и в реальной жизни большая часть водителей ездит в спокойной манере. Поэтому на такой модели и можно надежно определять места образования пробок, скорость потока на каждом участке и многое другое.
При этом математическая симуляция такой модели тоже возможна далеко не всегда. С ростом сети модель становится все сложнее, и на расчет оптимальной конфигурации большой сети даже суперкомпьютер может потратить значительное время. Результаты расчетов для действительно сложных систем можно ждать всю жизнь. Вообще не шутка.
В таком случае помогает реализация характерных составных частей «в железе». Т.е. на самом деле строится система из труб и туда запускается вода. Это нужно для того, чтобы выявить закономерности поведения кусков системы, и сузить таким образом для системы в целом набор решений, среди которых компьютер ищет оптимальное.
В общем, симуляция представляет важные аспекты одной системы – а в нашем случае это дорожная сеть – как часть другой, более доступной системы, такой как компьютерная программа или масштабная модель «в железе». И, понятное дело, чем используемая в симуляции модель дешевле и удобнее, тем становится быстрее и проще работать с изучаемыми объектами. Список задач, где такой метод исследований применяется, очень велик. Это могут быть и столкновения черных дыр, и рассеяние друг на друге протонов, и моделирования сложных взаимодействий молекул, и исследования всевозможных свойств кристаллов. И даже последние громкие открытия бозона Хиггса и гравитационных волн стали результатом, в том числе, применения симуляций.
В уже упомянутой статье ученые из Университета Мэриленда предлагают применить метод симуляций в ядерной физике, где любые прямые измерения сопряжены с большими трудностями хотя бы в силу того, что приходится иметь дело с частицами на масштабах в 10^(-13) метра. Ученые предлагают использовать для симуляций специально созданные квантовые системы значительно большего размера, характеристики которых относительно проще измерить, и которые позволят за счет собственных квантовых свойств учесть особенности квантовой жизни на масштабах атомных ядер.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.