Ein neuer mathematischer „Entwurf“ beschleunigt die Entwicklung von Fusionsgeräten

Die Entwicklung kommerzieller Fusionsenergie erfordert, dass Wissenschaftler nachhaltige Prozesse verstehen, die es auf der Erde noch nie gegeben hat. Aber wie stellen wir bei so vielen Unbekannten sicher, dass wir ein Gerät entwickeln, das die Fusionsenergie erfolgreich nutzen kann?

Wir können Lücken in unserem Verständnis schließen, indem wir Rechenwerkzeuge wie Algorithmen und Datensimulationen verwenden, um experimentelle Daten und Theorie zusammenzuführen, was uns ermöglicht, Fusionsgerätedesigns vor dem Bau zu optimieren und so viel Zeit und Ressourcen zu sparen.

Derzeit werden klassische Supercomputer zur Durchführung von Simulationen der Plasmaphysik und Fusionsenergieszenarien verwendet. Um jedoch die vielen verbleibenden Design- und Betriebsherausforderungen zu bewältigen, sind leistungsstärkere Computer erforderlich und für Plasmaforscher und Physiker von großem Interesse.

Die exponentiell schnelleren Rechengeschwindigkeiten von Quantencomputern haben Plasma- und Fusionswissenschaftlern die verlockende Möglichkeit einer erheblich beschleunigten Entwicklung von Fusionsgeräten eröffnet. Quantencomputer könnten die vielen Designparameter eines Fusionsgeräts – zum Beispiel Gefäßform, Magnetabstand und Komponentenplatzierung – detaillierter in Einklang bringen und gleichzeitig die Aufgaben schneller erledigen. Der Umstieg auf einen Quantencomputer ist jedoch keine einfache Aufgabe.

In einem Artikel mit dem Titel „Dyson-Karten und einheitliche Evolution für Maxwell-Gleichungen in dielektrischen Tensormedien“, der kürzlich in veröffentlicht wurde Physik Review AAbhay K. Ram, ein Forschungswissenschaftler am MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC), und seine Co-Autoren Efstratios Koukoutsis, Kyriakos Hizanidis und George Vahala präsentieren ein Framework, das den Einsatz von Quantencomputern zur Untersuchung elektromagnetischer Wellen erleichtern würde im Plasma und seine Manipulation in Fusionsgeräten mit magnetischem Einschluss.

Quantencomputer zeichnen sich durch die Simulation quantenphysikalischer Phänomene aus, viele Themen der Plasmaphysik basieren jedoch auf dem klassischen Physikmodell. Ein Plasma (das „dielektrische Medium“, auf das im Titel der Arbeit Bezug genommen wird) besteht aus vielen Teilchen – Elektronen und Ionen – deren kollektives Verhalten mithilfe der klassischen statistischen Physik effektiv beschrieben werden kann. Im Gegensatz dazu werden Quanteneffekte, die atomare und subatomare Skalen beeinflussen, in der klassischen Plasmaphysik gemittelt.

Darüber hinaus sind die beschreibenden Einschränkungen der Quantenmechanik nicht auf Plasma anwendbar. In einer Fusionsanlage werden Plasmen mithilfe elektromagnetischer Wellen erhitzt und manipuliert, was zu den wichtigsten und allgegenwärtigsten Vorkommnissen im Universum gehört.

Das Verhalten elektromagnetischer Wellen, einschließlich der Art und Weise, wie Wellen gebildet werden und mit ihrer Umgebung interagieren, wird durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben – ein grundlegender Bestandteil der klassischen Plasmaphysik und auch der allgemeinen Physik. Die Standardform der Maxwell-Gleichungen wird jedoch nicht in „Quantentermen“ ausgedrückt, daher ist die Implementierung der Gleichungen auf einem Quantencomputer so, als würde man einen quadratischen Stift in ein rundes Loch stecken: Es funktioniert nicht.

Damit Plasmaphysiker die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings zur Lösung von Problemen nutzen können, muss die klassische Physik in die Sprache der Quantenmechanik übersetzt werden. Die Forscher haben sich dieser translatorischen Herausforderung angenommen und in ihrer Arbeit enthüllt, dass eine Dyson-Karte die translatorische Kluft zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik überbrücken kann.

Karten sind mathematische Funktionen, die zeigen, wie man eine Eingabe aus einem Raumtyp in einen Ausgang umwandelt, der in einem anderen Raumtyp von Bedeutung ist. Im Fall der Maxwell-Gleichungen ermöglicht eine Dyson-Karte die Untersuchung klassischer elektromagnetischer Wellen in dem von Quantencomputern genutzten Raum. Im Wesentlichen wird der quadratische Stift so umkonfiguriert, dass er in das runde Loch passt, ohne die Physik zu beeinträchtigen.

Die Arbeit liefert auch einen Entwurf eines Quantenschaltkreises, der mit Gleichungen codiert ist, die in Quantenbits („Qubits“) statt in klassischen Bits ausgedrückt werden, sodass die Gleichungen auf Quantencomputern verwendet werden können. Am wichtigsten ist, dass diese Blaupausen auf klassischen Computern codiert und getestet werden können.

„Seit Jahren untersuchen wir Wellenphänomene in der Plasmaphysik und der Fusionsenergiewissenschaft mit klassischen Techniken. Quantencomputing und Quanteninformationswissenschaft fordern uns heraus, unsere Komfortzone zu verlassen und stellen so sicher, dass ich nicht ‚angenehm taub geworden‘ bin.“ sagt Ram und zitiert ein Lied von Pink Floyd.

Die Dyson-Karte und -Schaltkreise des Artikels haben Quantenrechenleistung in greifbare Nähe gerückt, ein verbessertes Verständnis von Plasmen und elektromagnetischen Wellen beschleunigt und uns dem idealen Design von Fusionsgeräten ein großes Stück näher gebracht.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.