Найпотужніший у світі комп’ютер зробив моделювання процесів взаємодії світла та матерії

Процеси взаємодії світла з матерією лежать в основі маси сучасних технологій, на них заснована робота лазерів, світлодіодів, інших оптоелектронних пристроїв і навіть атомних годинників. Проте, що існує методи моделювання процесів такої взаємодії, через їхню величезну складність, мають низку серйозних обмежень і навряд чи можуть вважатися повноцінними. Але нещодавно, дослідникам з університету Цукуби, Японія, нарешті, вдалося розробити новий метод моделювання процесів взаємодії світла з матерією на рівні атомів, позбавлений більшості обмежень, який був успішно перевірений за допомогою найпотужнішого з що існує суперкомп’ютерів.

Чому ж із моделюванням взаємодії світла та матерії виникають такі складності? Першою причиною є те, що такі взаємодії залучено безліч різноманітних областей фізики, включаючи фізику поширення світлових хвиль, динаміку руху електронів, іонів тощо. Другою причиною є те, що всі процеси відбуваються в широкому спектрі масштабів і тимчасових проміжків.

Враховуючи таку різноманітність залучених областей фізики та різницю у масштабах, моделювання виконується, як правило, за допомогою двох різних методів. Першим методом є електромагнітний аналіз, у якому проводиться моделювання електромагнітних полів світла, а другим методом є обчислення квантово-механічних та пов’язаних із цим оптичних властивостей матерії.

Новий метод, розроблений японськими вченими, полягає в одночасному розв’язанні трьох базових фізичних рівнянь, рівняння Максвелла для електромагнітних полів, рівняння з тимчасовою залежністю Кона-Шема для електронів та рівняння Ньютона для іонів.

Код, що здійснює обчислення трьох рівнянь, був втілений у вигляді системи SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience). Більш того, цей код був підданий серйозній оптимізації для підвищення його ефективності. Перевірка роботи цього коду була проведена за допомогою моделювання взаємодії світла з тонкою плівкою (товщиною 10 тисяч атомів) аморфного діоксиду кремнію.

При розрахунках створеної моделі було залучено 28 тисяч обчислювальних вузлів найшвидшого та найпотужнішого із сучасних суперкомп’ютерів, суперкомп’ютера Fugaku, що знаходиться у розпорядженні японського Інституту фізико-хімічних досліджень RIKEN. «Ми переконалися у високій ефективності створеного коду. Кожна ітерація моделювання виконувалася приблизно за одну секунду, що уможливлює практичне застосування нового методу» — пишуть дослідники, — «Отримана нами швидкість обчислень дуже близька до її максимального теоретичного значення, що визначається пропускною здатністю системи пам’яті комп’ютера «.

І на закінчення слід зазначити, що розроблене японцями програмне забезпечення легко масштабується і його можна використовувати для досліджень безлічі процесів та явищ з областей фотоніки, нанорозмірної оптики тощо. Джерело