Punto di vista: informatica quantistica e industria nucleare: prospettive

29 agosto 2023

Un progetto di ricerca ha evidenziato il potenziale dell'informatica quantistica nel fornire vantaggi significativi per la progettazione e il funzionamento di impianti di radiazione nei settori nucleare, medico e spaziale, come spiega il professor Paul Smith, direttore tecnico di Jacobs ANSWERS.

La modellazione del trasporto delle radiazioni è fondamentale per la fisica nucleare e svolge un ruolo in tutto, dalla progettazione e funzionamento del reattore, alla fabbricazione del combustibile, allo stoccaggio, al trasporto, allo smantellamento e allo smaltimento geologico. Oltre all’energia nucleare e allo smantellamento, svolge un ruolo vitale nella medicina nucleare, nell’industria spaziale, nell’irradiazione degli alimenti e nello sfruttamento dei pozzi petroliferi.

I codici Monte Carlo sono il metodo di riferimento per creare simulazioni e risolvere equazioni per comprendere il modo in cui l'energia fisica viene trasferita mediante l'assorbimento, l'emissione e la diffusione della radiazione elettromagnetica, noto come trasporto della radiazione.

I codici sono progettati per modellare e comprendere il movimento e le interazioni delle particelle di radiazioni (come fotoni, neutroni o particelle cariche) mentre viaggiano attraverso diversi materiali e interagiscono con varie strutture.

Esistono due approcci principali per risolvere le equazioni del trasporto della radiazione. Nell'approccio deterministico vengono utilizzati metodi numerici tradizionali per risolvere le equazioni matematiche - ciò comporta una serie di approssimazioni. L'approccio alternativo Monte Carlo prevede la simulazione dei percorsi delle singole particelle che comporta una minore approssimazione ma per alcune applicazioni è proibitivamente lento. In questi casi viene utilizzato per produrre soluzioni ad alta fedeltà per testare l'accuratezza delle soluzioni deterministiche che, sebbene più approssimative, possono essere raggiunte più rapidamente.

ANSWERS Software Service, parte di Jacobs, ha condotto un progetto per esplorare i potenziali vantaggi del calcolo quantistico nell'accelerazione dei metodi Monte Carlo.

Supportato dal programma SparQ del National Quantum Computing Centre del Regno Unito, che sostiene la ricerca su nuove applicazioni, questo progetto mirava a studiare i vantaggi derivanti dall'utilizzo del calcolo quantistico invece del calcolo digitale convenzionale per migliorare il tempo di esecuzione dei metodi Monte Carlo, rendendoli più competitivi.

ANSWERS fornisce e supporta i codici MCBEND e MONK 3D Monte Carlo che sono ampiamente utilizzati in tutto il mondo per la schermatura dalle radiazioni, la valutazione della dose, la sicurezza della criticità nucleare e l'analisi fisica dei reattori. Ad esempio, il software ANSWERS viene utilizzato per supportare la progettazione e la produzione di custodie di sicurezza per palloni da trasporto per materiali radioattivi.

Diversi processi contribuiscono in modo significativo al costo computazionale dell'esecuzione dei calcoli Monte Carlo sul trasporto delle radiazioni, tra cui la generazione di numeri casuali, le ricerche nei database nucleari, il ray tracing e lo stesso processo Monte Carlo. Gli algoritmi quantistici sono disponibili o in fase di sviluppo per ciascuno di questi processi. La generazione quantistica di numeri casuali ha il chiaro vantaggio di generare numeri veramente casuali, basati su processi quantistici veramente casuali, mentre i metodi computazionali tradizionali sono solo in grado di generare numeri pseudo casuali o numeri quasi casuali che possono essere soggetti a sottili correlazioni che possono introdurre distorsioni nel calcolo risultati.

Mentre i computer digitali funzionano con bit di dati che sono 0 o 1, i computer quantistici funzionano con qubit, sistemi quantomeccanici a due stati che possono trovarsi in una sovrapposizione degli stati 0 e 1. Ad esempio, la luce può essere polarizzata orizzontalmente o verticalmente (prova a guardare un televisore LED attraverso occhiali con lenti polarizzate e inclinando la testa ad angoli diversi). Se un singolo fotone di luce è polarizzato a 45 gradi rispetto all'orizzontale, si può pensare che si trovi in ​​una sovrapposizione degli stati orizzontale e verticale.

Ciò consente ai computer quantistici di elaborare molti stati in un’unica operazione, aumentando esponenzialmente la loro potenza di elaborazione e ottenendo una risoluzione di problemi complessi che è impossibile sui computer digitali. In pratica, molti algoritmi quantistici offrono un vantaggio quadratico rispetto ai tradizionali computer digitali: ad esempio, un algoritmo quantistico può ottenere in 1000 operazioni ciò che richiederebbe un milione di operazioni utilizzando un algoritmo tradizionale.