Самый мощный в мире суперкомпьютер произвел самое масштабное моделирование процессов взаимодействия света и материи

Процессы взаимодействия света с материей лежат в основе массы современных технологий, на них основана работа лазеров, светодиодов, других оптоэлектронных устройств и даже атомных часов. Однако, существующие методы моделирования процессов такого взаимодействия, в силу их огромной сложности, имеют ряд серьезных ограничений и вряд ли могут считаться полноценными. Но недавно, исследователям из университета Цукубы, Япония, наконец удалось разработать новый метод моделирования процессов взаимодействия света с материей на уровне атомов, лишенный большинства ограничений, который был успешно проверен при помощи самого мощного из существующих суперкомпьютеров.

Почему же с моделированием взаимодействия света и материи возникают такие сложности? Первой причиной является то, что в такие взаимодействия вовлечено множество разнообразных областей физики, включая физику распространения световых волн, динамику движения электронов, ионов и т.п. Второй причиной является то, что все процессы происходят в очень широком спектре масштабов и временных промежутков.

Учитывая такое многообразие задействованных областей физики и разницу в масштабах, моделирование выполняется, как правило, при помощи двух различных методов. Первым методом является электромагнитный анализ, в котором производится моделирование электромагнитных полей света, а вторым методом является вычисление квантово-механических и связанных с этим оптических свойств материи.

Новый метод, разработанный японскими учеными, заключается в одновременном решении трех базовых физических уравнений, уравнения Максвелла для электромагнитных полей, уравнения с временной зависимостью Кона-Шэма для электронов и уравнения Ньютона для ионов.

Код, осуществляющий вычисления трех уравнений был воплощен в виде системы SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience). Более того, этот код был подвергнут серьезной оптимизации для увеличения его эффективности. Проверка работы этого кода была проведена при помощи моделирования взаимодействия света с тонкой пленкой (толщиной в 10 тысяч атомов) аморфного диоксида кремния.

При расчетах созданной модели было задействовано 28 тысяч вычислительных узлов самого быстрого и мощного из современных суперкомпьютеров, суперкомпьютера Fugaku, находящегося в распоряжении японского Института физико-химических исследований RIKEN. "Мы убедились в высокой эффективности созданного кода. Каждая итерация моделирования выполнялась приблизительно за одну секунду, что делает возможным практическое применение нового метода" - пишут исследователи, - "Полученная нами скорость вычислений очень близка к ее максимальному теоретическому значению, определяемому пропускной способностью системы памяти компьютера".

И в заключение следует отметит, что разработанное японцами программное обеспечение легко масштабируется и его можно использовать для исследований множества процессов и явлений из областей фотоники, наноразмерной оптики и т.п.