Instytut Fizyki
Fizyka kwantowa to świetna zabawa: Zabawa w Sherlocka Holmesa—Jak przewidywać własności cząsteczek, ważne z technologicznego punktu widzenia, nie opuszczając swojego wygodnego fotela?
Wszyscy z pewnością pamiętamy Sherlocka Holmesa, słynnego detektywa z powieści sir Arthura Conan Doyle'a. Detektyw ten posiadał nadzwyczajną zdolność rozwiązywania najbardziej nawet skomplikowanych zagadek kryminalnych, nie opuszczając ani na krok swojego domu, siedząc w wygodnym fotelu i pykając swoją fajkę...
Wiele doniosłych problemów naukowych można rozwiązać w podobny sposób. Jako przykład niech posłuży przewidywanie ważnych z technologicznego punktu widzenia własności cząsteczek; do własności tych należą np. nieliniowe własności optyczne, które są niezwykle ważne dla współczesnej medycyny (nieinwazyjne terapie nowotworów), technologii komputerowej (optyczne przełączniki sieciowe), czy wojska (tarcze antylaserowe). Istotnie, aby uzyskać szczegółowe dane o tych ważnych własnościach cząsteczek nie trzeba ich mierzyć przy pomocy skomplikowanych przyrządów, można je po prostu przewidzieć (nie opuszczając swojego wygodnego fotela). Co jest potrzebne do takiego przewidywania własności cząsteczek (oprócz, oczywiście, bystrego umysłu)? Potrzebne są dwie rzeczy: mechanika kwantowa i wysoce wydajne (co niekoniecznie musi oznaczać drogie) komputery.
Czym jest mechanika kwantowa? Jest to dziedzina fizyki, która powstała w pierwszej dekadzie XX wieku, w celu wyjaśnienia faktów eksperymentalnych, których fizyka klasyczna wyjaśnić nie umie. Mechanika kwantowa to niezwykła—żeby nie powiedzieć: magiczna—teoria, według której możliwe są zjawiska będące jeszcze do niedawna jedynie domeną literatury fantastyczno-naukowej, np. teleportacja... Te zaskakujące konsekwencje teorii kwantów zostały potwierdzone doświadczalnie.
Jednocześnie mechanika kwantowa jest bardzo praktycznym narzędziem—ma moc przewidywania dowolnej w zasadzie własności dowolnej cząsteczki. Ujmując rzecz nieco dokładniej, aby dowiedzieć się czegoś o własnościach danej cząsteczki trzeba rozwiązać tzw. równianie Schrödingera dla tej cząsteczki. Równanie Schrödingera to podstawowe równanie teorii kwantów, które daje się rozwiązać w prosty sposób jedynie dla najprostszych układów, takich jak np. atom wodoru, ale takie proste układy nie mają żadnego praktycznego znaczenia dla współczesnej technologii. Żeby dowiedzieć się czegoś o cząsteczkach interestujących z punktu widzenia współczesnej technologii (np. nanorurkach węglowych, polimerach, fragmentach DNA, białkach, itp.) trzeba rozwiązywać równanie Schrödingera na komputerze.
Wszystko ma jednak swoją cenę: jeśli chcemy, aby nasze kwantowo-mechaniczne przewidywania miały jakiekolwiek znaczenie praktyczne, to musimy skupić się na dużych cząsteczkach i jednocześnie rozwiązywać równanie Schrödingera z dużą dokładnością. A to są właśnie dwa czynniki (rozmiar cząsteczki i dokładność wyników), które decydują o koszcie kwantowo-mechanicznych obliczeń własności cząsteczek.
Dlatego własnie wiodące ośrodki badawcze na całym świecie poszukiwały—od ponad dwóch dekad—algorytmów, które pozwoliłyby rozwiązywać równanie Schrödingera przy jak najniższym koszcie obliczeniowym, zachowując przy tym dużą dokładność rozwiązań. Wysiłki te okazały się owocne i możemy obecnie wykonywać obliczenia dla cząsteczek, które dotąd były poza zasięgiem metod mechaniki kwantowej.
Ciągle jednak, mimo rozwoju wspomnianych wyżej szybkich algorytmów, obliczenia kwantowo-mechaniczne dla dużych cząsteczek są obliczeniowo zbyt "drogie", aby móc je przeprowadzać na zwykłych komputerach osobistych. Do niedawna przeprowadzanie takich obliczeń możliwe było jedynie na klastrach komputerowych, składających się z dziesiątek, a nawet setek, stacji roboczych, w wyspecjalizowanych centrach superkomputerowych. Stanowiło to istotny czynnik ograniczający praktyczne zastosowania programów do obliczeń kwantowo-mechanicznych. Sytuacja wydaje się jednak zmieniać: rynek gier komputerowych, wiecznie żądny coraz bardziej realistycznych efektów wizualnych, wywiera ogromną presję na wydajność procesorów graficznych (GPU). Obecne procesory GPU to w rzeczywistości procesory masywnie równoległe, które, w przypadku niektórych zadań obliczeniowych, cechują się nieporównywalnie większą wydajnością niż tradycyjne procesory CPU (należy jednak pamiętać, że istnieją takie problemy obliczeniowe, do których procesory GPU się nie nadają). Kilka grup badawczych podjęło wyzwanie zaadoptowania programów kwantowo-mechanicznych (oryginalnie zaprojektowanych na procesory CPU) do wykorzystania w "mieszanym" środowisku obliczeniowym składjącym się zarówno z procesorów CPU, jak i GPU. Próby te przyniosły pierwsze sukcesy: w literaturze spotkać można doniesienia o kilkusetkrotnym przyspieszeniu algorytmów kwantowo-mechanicznych w porównianiu z tradycyjnymi implementacjami na procesory CPU.
Ogromna wydajność obliczeniowa nie jest jedynym czynnikiem faworyzującym procesory GPU w porównaniu z tradycyjnymi procesorami CPU: procesory GPU, jako produkt masowy, są nieporównywalnie tańsze w stosunku do tradycyjnych centrów superkomputerowych opartych na procesroach CPU, i to zarówno pod względem kosztu zakupu, jak i późniejszego utrzymania. Kombinacja tych dwóch czynników (wysoka wydajność i niska cena) sprawia, że stacje robocze oparte na procesorach GPU otwierają przed kwantowo-mechanicznymi przewidywaniami własności cząsteczek nową epokę: praktycznie każdy naukowiec może sobie kupić stację roboczą opartą na procesorach GPU i przeprowadzać na niej obliczenia kwantowo-mechaniczne w rozsądnym czasie.
Jedynym brakującym elementem jest stworzenie dojrzałego oprogramowania, które byłoby w stanie w pełni wykorzystać moc obliczeniową procesorów GPU do obliczeń kwantowo-mechanicznych. Jak już wyżej wspomniano, kilka ośrodków badawczych pracuje obecnie nad takim oprogramowaniem...
Jeśli więc jesteś obecnie na takim etapie życia, kiedy stajesz przed problemem wybrania swojej przyszłej kariery i jednocześnie marzysz o pełnej wyzwań pracy, która pozwoli Ci—bez konieczności opuszczania wygodnego fotela—stosować najbardziej zaawansowane rozwiązania komputerowe do projektowania nowych materiałów i technologii, to być może studiowanie fizyki, a w jej ramach mechaniki kwantowej, jest drogą dla Ciebie.
Jeśli uważasz, że to brzmi interesująco, skontaktuj się ze mną bezpośrednio filip@ukw.edu.pl albo kliknij tutaj, żeby dowiedzieć się więcej o naszej ofercie edukacyjnej.
Bardziej szczegółowy opis badań, które prowadzimy w zakresie obliczeniowej mechaniki kwantowej znajduje się tutaj:
