Punto de vista: Computación cuántica y la industria nuclear: Perspectivas

29 agosto 2023

Un proyecto de investigación ha puesto de relieve el potencial de la computación cuántica para ofrecer beneficios significativos para el diseño y operación de instalaciones de radiación en las industrias nuclear, médica y espacial, como explica el profesor Paul Smith, director técnico de Jacobs ANSWERS.

Modelar el transporte de radiación es fundamental para la física nuclear y desempeña un papel en todo, desde el diseño y operación de reactores, hasta la fabricación de combustible, el almacenamiento, el transporte, el desmantelamiento y la eliminación geológica. Más allá de la energía nuclear y el desmantelamiento, desempeña un papel vital en la medicina nuclear, la industria espacial, la irradiación de alimentos y la explotación de pozos petroleros.

Los códigos Monte Carlo son el método de referencia para crear simulaciones y resolver ecuaciones para comprender la forma en que se transfiere la energía física mediante la absorción, emisión y dispersión de radiación electromagnética, conocida como transporte de radiación.

Los códigos están diseñados para modelar y comprender el movimiento y las interacciones de las partículas de radiación (como fotones, neutrones o partículas cargadas) a medida que viajan a través de diferentes materiales e interactúan con diversas estructuras.

Hay dos enfoques principales para resolver las ecuaciones de transporte de radiación. En el enfoque determinista se utilizan métodos numéricos tradicionales para resolver las ecuaciones matemáticas; esto implica una serie de aproximaciones. El enfoque alternativo de Monte Carlo implica simular las trayectorias de partículas individuales, lo que implica menos aproximación pero para algunas aplicaciones es prohibitivamente lento. En tales casos, se utiliza para producir soluciones de alta fidelidad para probar la precisión de soluciones deterministas que, aunque son más aproximadas, se pueden llegar a ellas más rápidamente.

El servicio de software ANSWERS, parte de Jacobs, lideró un proyecto para explorar los beneficios potenciales de la computación cuántica en la aceleración de los métodos Monte Carlo.

Este proyecto, respaldado por el programa SparQ del Centro Nacional de Computación Cuántica del Reino Unido, que apoya la investigación de nuevas aplicaciones, tenía como objetivo investigar las ventajas de aprovechar la computación cuántica en lugar de la computación digital convencional para mejorar el tiempo de ejecución de los métodos Monte Carlo, haciéndolos más competitivos.

ANSWERS proporciona y respalda los códigos MCBEND y MONK 3D Monte Carlo, que se utilizan ampliamente en todo el mundo para protección contra la radiación, evaluaciones de dosis, seguridad de criticidad nuclear y análisis de física de reactores. Por ejemplo, el software ANSWERS se utiliza para respaldar el diseño y la producción de estuches de seguridad para recipientes de transporte para materiales radiactivos.

Varios procesos contribuyen significativamente al costo computacional de realizar cálculos de transporte de radiación de Monte Carlo, incluida la generación de números aleatorios, búsquedas en bases de datos nucleares, trazado de rayos y el propio proceso de Monte Carlo. Hay algoritmos cuánticos disponibles o en desarrollo para cada uno de estos procesos. La generación cuántica de números aleatorios tiene la clara ventaja de generar números verdaderamente aleatorios, basados ​​en procesos cuánticos verdaderamente aleatorios, mientras que los métodos computacionales tradicionales solo son capaces de generar números pseudoaleatorios o cuasialeatorios que pueden estar sujetos a correlaciones sutiles que pueden introducir sesgos en el cálculo. resultados.

Mientras que las computadoras digitales trabajan con bits de datos que son 0 o 1, las computadoras cuánticas trabajan con qubits: sistemas mecánico-cuánticos de dos estados que pueden estar en una superposición de los estados 0 y 1. Por ejemplo, la luz puede estar polarizada horizontal o verticalmente (intente mirar un televisor LED a través de gafas con lentes polarizadas e inclinando la cabeza en diferentes ángulos). Si un fotón individual de luz está polarizado a 45 grados con respecto a la horizontal, se puede considerar que se encuentra en una superposición de los estados horizontal y vertical.

Esto permite a las computadoras cuánticas procesar muchos estados en una sola operación, aumentando exponencialmente su poder de procesamiento y logrando resolver problemas complejos que son imposibles en las computadoras digitales. En la práctica, muchos algoritmos cuánticos ofrecen una ventaja cuadrática sobre las computadoras digitales tradicionales; por ejemplo, un algoritmo cuántico puede lograr en 1000 operaciones lo que requeriría un millón de operaciones usando un algoritmo tradicional.

Hay ciertos escenarios en los que la computación digital supera a la computación cuántica. Por ejemplo, debido al orden específico de las bases de datos nucleares (de menor energía a mayor energía), las búsquedas binarias ofrecen una ventaja exponencial sobre el algoritmo de búsqueda cuántica de Grover.

Uno de los mayores desafíos que enfrenta la computación cuántica en la actualidad es la presencia de ruido cuántico. Al ser microscópicos, los sistemas cuánticos son muy delicados.

Cualquier interacción con el entorno circundante puede cambiar el estado del sistema, por ejemplo, cambiar un qubit del estado 0 al estado 1 o viceversa. Las interacciones aleatorias con los qubits añaden efectivamente un elemento de ruido a las respuestas obtenidas de una computadora cuántica. El proyecto utilizó Lucy, la computadora de Oxford Quantum Circuits, y logró demostrar la eficacia de nuevas técnicas para la reducción del ruido cuántico. Actualmente se trata de un área de intensa actividad investigadora.

Los socios del proyecto (Jacobs, el Centro Nacional de Computación Cuántica (parte de Investigación e Innovación del Reino Unido), Oxford Quantum Circuits, el Laboratorio Nuclear Nacional, Sellafield Ltd y la Universidad de Cambridge) señalan que hay signos prometedores de que los algoritmos cuánticos podrían transformar los aspectos computacionales. del trazado de rayos y la simulación del transporte de radiación de Monte Carlo, pero se necesita más investigación para evaluar su aplicabilidad.

WNN es un servicio de información pública de la Asociación Nuclear Mundial.

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