Standpunkt: Quantencomputing und die Nuklearindustrie: Perspektiven

29. August 2023

Ein Forschungsprojekt hat das Potenzial des Quantencomputings hervorgehoben, erhebliche Vorteile für die Konstruktion und den Betrieb von Strahlungsanlagen in der Nuklear-, Medizin- und Raumfahrtindustrie zu bieten, wie Professor Paul Smith, technischer Direktor von Jacobs ANSWERS, erklärt.

Die Modellierung des Strahlungstransports ist für die Kernphysik von grundlegender Bedeutung und spielt in allen Bereichen eine Rolle, von der Reaktorkonstruktion und dem Reaktorbetrieb über die Brennstoffherstellung, Lagerung, den Transport, die Stilllegung bis hin zur geologischen Entsorgung. Über die Kernenergie und die Stilllegung hinaus spielt es eine wichtige Rolle in der Nuklearmedizin, der Raumfahrtindustrie, der Lebensmittelbestrahlung und der Protokollierung von Ölquellen.

Monte-Carlo-Codes sind die Referenzmethode zum Erstellen von Simulationen und zum Lösen von Gleichungen, um zu verstehen, wie physikalische Energie durch Absorption, Emission und Streuung elektromagnetischer Strahlung übertragen wird – bekannt als Strahlungstransport.

Die Codes sollen die Bewegung und Wechselwirkungen von Strahlungsteilchen (wie Photonen, Neutronen oder geladenen Teilchen) modellieren und verstehen, während sie sich durch verschiedene Materialien bewegen und mit verschiedenen Strukturen interagieren.

Es gibt zwei Hauptansätze zur Lösung der Gleichungen für den Strahlungstransport. Beim deterministischen Ansatz werden traditionelle numerische Methoden zur Lösung der mathematischen Gleichungen verwendet – dabei sind eine Reihe von Näherungen erforderlich. Der alternative Monte-Carlo-Ansatz beinhaltet die Simulation der Pfade einzelner Partikel, was weniger Näherung erfordert, für einige Anwendungen jedoch unerschwinglich langsam ist. In solchen Fällen wird es verwendet, um High-Fidelity-Lösungen zu erstellen, um die Genauigkeit deterministischer Lösungen zu testen, die zwar näherungsweiser sind, aber schneller ermittelt werden können.

Der ANSWERS Software Service, Teil von Jacobs, leitete ein Projekt zur Untersuchung der potenziellen Vorteile des Quantencomputings bei der Beschleunigung von Monte-Carlo-Methoden.

Unterstützt durch das SparQ-Programm des National Quantum Computing Centre des Vereinigten Königreichs, das die Erforschung neuer Anwendungen unterstützt, zielte dieses Projekt darauf ab, die Vorteile der Nutzung von Quantencomputern anstelle herkömmlicher digitaler Computer zu untersuchen, um die Laufzeit von Monte-Carlo-Methoden zu verbessern und sie wettbewerbsfähiger zu machen.

ANSWERS bietet und unterstützt die 3D-Monte-Carlo-Codes MCBEND und MONK, die weltweit häufig für Strahlenschutz, Dosisbewertungen, nukleare Kritikalitätssicherheit und Reaktorphysikanalyse verwendet werden. Beispielsweise wird die ANSWERS-Software zur Unterstützung bei der Konstruktion und Erstellung von Sicherheitsnachweisen für Transportflaschen für radioaktive Stoffe eingesetzt.

Mehrere Prozesse tragen erheblich zum Rechenaufwand bei der Durchführung von Monte-Carlo-Strahlungstransportberechnungen bei, darunter Zufallszahlengenerierung, Suche in Kerndatenbanken, Strahlverfolgung und der Monte-Carlo-Prozess selbst. Für jeden dieser Prozesse sind Quantenalgorithmen verfügbar oder in der Entwicklung. Die Generierung von Quantenzufallszahlen hat den klaren Vorteil, dass sie echte Zufallszahlen auf der Grundlage wirklich zufälliger Quantenprozesse generiert, während herkömmliche Berechnungsmethoden nur in der Lage sind, Pseudozufallszahlen oder Quasizufallszahlen zu generieren, die subtilen Korrelationen unterliegen können, die zu Verzerrungen bei der Berechnung führen können Ergebnisse.

Während digitale Computer mit Datenbits arbeiten, die entweder 0 oder 1 sind, arbeiten Quantencomputer mit Qubits – quantenmechanischen Systemen mit zwei Zuständen, die sich in einer Überlagerung der Zustände 0 und 1 befinden können. Beispielsweise kann Licht horizontal oder vertikal polarisiert sein (versuchen Sie, durch eine Brille mit polarisierten Gläsern auf einen LED-Fernseher zu schauen und Ihren Kopf in verschiedenen Winkeln zu neigen). Wenn ein einzelnes Lichtphoton in einem Winkel von 45 Grad zur Horizontalen polarisiert ist, kann man davon ausgehen, dass es sich in einer Überlagerung der horizontalen und vertikalen Zustände befindet.

Dies ermöglicht es Quantencomputern, viele Zustände in einem einzigen Vorgang zu verarbeiten, ihre Rechenleistung exponentiell zu steigern und komplexe Problemlösungen zu erreichen, die auf digitalen Computern unmöglich sind. In der Praxis bieten viele Quantenalgorithmen einen quadratischen Vorteil gegenüber herkömmlichen digitalen Computern – beispielsweise kann ein Quantenalgorithmus in 1000 Operationen erreichen, was mit einem herkömmlichen Algorithmus eine Million Operationen erfordern würde.

Es gibt bestimmte Szenarien, in denen digitales Computing das Quantencomputing übertrifft. Aufgrund der spezifischen Reihenfolge nuklearer Datenbanken (von der niedrigsten zur höchsten Energie) bieten binäre Suchen beispielsweise einen exponentiellen Vorteil gegenüber dem Quanten-Grover-Suchalgorithmus.

Eine der größten Herausforderungen, vor denen Quantencomputing derzeit steht, ist das Vorhandensein von Quantenrauschen. Da Quantensysteme mikroskopisch klein sind, sind sie sehr empfindlich.

Jede Interaktion mit der Umgebung kann den Zustand des Systems ändern, beispielsweise die Änderung eines Qubits von Zustand 0 in Zustand 1 oder umgekehrt. Zufällige Wechselwirkungen mit den Qubits fügen den von einem Quantencomputer erhaltenen Antworten effektiv ein Rauschelement hinzu. Das Projekt verwendete Lucy, den Oxford Quantum Circuits-Computer, und konnte erfolgreich die Wirksamkeit neuer Techniken zur Reduzierung von Quantenrauschen demonstrieren. Dies ist derzeit ein Bereich intensiver Forschungstätigkeit.

Die Projektpartner – Jacobs, National Quantum Computing Centre (Teil von UK Research & Innovation), Oxford Quantum Circuits, National Nuclear Laboratory, Sellafield Ltd und die University of Cambridge – stellen fest, dass es vielversprechende Anzeichen dafür gibt, dass Quantenalgorithmen die rechnerischen Aspekte verändern könnten von Raytracing und Monte-Carlo-Strahlungstransportsimulation, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um ihre Anwendbarkeit zu bewerten.

WNN ist ein öffentlicher Informationsdienst der World Nuclear Association

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