Επιταχύνοντας την Υλοποίηση Αντιδραστήρων Θερμοπυρηνικής Σύντηξης με την Βοήθεια Κβαντικών Υπολογιστών
Σε μια πολύ πρόσφατη σειρά άρθρων με αντιπροσωπευτικότερα τα (1): “Dyson maps and unitary evolution for Maxwell equations in tensor dielectric media, Physical Review A 107, 042215, 2023” και (2) “Quantum computing perspective for electromagnetic wave propagation in cold magnetized plasmas, Physics of Plasmas 30, 122108, 2023”, οι κκ Ευστράτιος Κουκούτσης (ΕΚ), ο οποίος είναι Υποψήφιος Διδάκτορας στη Σχολή μας, και ο Ομότιμος Καθηγητής Κυριάκος Χιτζανίδης (ΚΧ), πέτυχαν να κεντρίσουν το ενδιαφέρον της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας σε ΗΠΑ και Ευρώπη.
Το πρώτο εκ των άρθρων αυτών έλαβε ευρεία δημοσιότητα στις ΗΠΑ το περασμένο καλοκαίρι ενώ το δεύτερο που δημοσιεύτηκε προ ημερών αναδύχθηκε ως Editors Pick του πλέον αντιπροσωπευτικού διεθνούς περιοδικού της επιστημονικής περιοχής, Physics of Plasmas, και κοσμεί το εξώφυλλο του τεύχους του Δεκεμβρίου. Η σημαντική αυτή επιστημονική συνεισφορά είναι το επιστέγασμα της μακροχρόνιας συνεργασίας του ΚΧ με ένα εκ των σπουδαιότερων επιστημονικών κέντρων σε παγκόσμια κλίμακα, του Plasma Science and Fusion Center/Massachusetts Institute of Technology (PSFC-MIT). Στο κέντρο αυτό δραστηριοποιείται και ο ένας εκ των δύο κύριων συντελεστών-συνεργατών, Dr. Abhay K. Ram, ενώ ο έτερος είναι ο καθηγητής George Vahala από το William & Mary.
Την επιτυχία αυτή, οι ΕΚ και ΚΧ την θεωρούν ως επένδυση για την περεταίρω ενδυνάμωση της συνεργασίας όλων των μελών του Εργαστηρίου της Σχολής μας «Ηλεκτρονικής Δέσμης, Πλάσματος και Μη Γραμμικής Οπτικής» με το ΜΙΤ καθώς και άλλα Ευρωπαικά πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα. Είναι αξιοσημείωτο, ότι η αναγνώριση των ερευνητικών επιτευγμάτων των ΕΚ και ΚΧ επισφραγίστηκε άμεσα με την χρηματοδότηση της Ευρωπαϊκής ερευνητικής πρότασης με τίτλο “Application of Quantum Computing to Plasma Fusion” που προήλθε από τους συμμετέχοντες στο Εργαστήριο, με Κύριο Ερευνητή τον προφάτως εκλεχθέν Επικουρο Καθηγητή της Σχολής μας κ Χρήστο Τσιρώνη στα πλαίσια του πακέτου εργασίας Enabling Research της Κοινοπραξίας EUROfusion. Η πρόταση αυτή, αποτελεί σύμπραξη της ομάδας του ΕΜΠ που είναι η επισπεύδουσα και της ομάδας Group of Lasers and Plasmas (GOLP) του Instituto Superior Técnico, Lisbon-Portugal.
Η επιστημονική περιοχή των πρόσφατων αυτών επιτυχιών είναι η έρευνα της κβαντικής υπολογιστικής για την επίτευξη και ενεργειακή εκμετάλλευση της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Παρά τις προόδους που έχουν γίνει την τελευταία 10-ετία σε πειραματικό/κατασκευαστικό στάδιο (βλέπε, ITER-France, SPARC-USA, JET-UK, MAST-UK, W7X-Germany, WEST-France, JT-60SA-Japan, DIII-D-USA, EAST-China, κλπ) και σε ερευνητικό/υπολογιστικό επίπεδο, λόγω της κολοσσιαίας πολυπλοκότητας του εγχειρήματος, υπάρχουν σημαντικά κενά ιδιαίτερα στην κατανόησή των φυσικών διεργασιών. Τα συνήθη υπολογιστικά εργαλεία, όπως αλγόριθμοι και προσομοιώσεις δεδομένων για την ενοποίηση των πειραματικών δεδομένων και της θεωρίας, που χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση της σχεδίασης των συσκευών πυρηνικής σύντηξης, παρά τις προόδους δεν επαρκούν. Επιπλέον οι αλγόριθμοι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ελεγκτές πραγματικού χρόνου, λόγω του όγκου και της πολυπλοκότητας τους. Απλοποιημένα υπολογιστικά εργαλεία υπάρχουν αλλά είναι τελείως ανεπαρκή. Αν αναλογιστεί κανείς, ότι η ανεπάρκεια αυτή αναφέρεται σε κλασικούς σύγχρονους υπερυπολογιστές, που χρησιμοποιούνται για να εκτελούν προσομοιώσεις φυσικής του πλάσματος, το αδιέξοδο έγκειται στην υπάρχουσα υπολογιστική ισχύ.
Υπάρχουν βέβαια δύο παράλληλοι, αλλά αλληλεξαρτώμενοι δρόμοι για την αντιμετώπιση αυτού του αδιεξόδου: Η εντατικοποίηση της έρευνας και ανάπτυξης των κβαντικών υπολογιστών από τη μια μεριά και η «μετεγγραφή» των αλγορίθμων προσομοίωσης των διεργασιών στο θερμοπυρηνικό πλάσμα σε γλώσσα της κβαντικής υπολογιστικής επιστήμης. Τα προϊόντα της δεύτερης οδού μπορούν να επαληθευθούν και να δοκιμαστούν και σε υπάρχοντες κλασσικούς υπολογιστές. Οι κβαντικοί υπολογιστές εξάλλου (υπάρχουν ήδη διαθέσιμοι αλλά περιορισμένων δυνατοτήτων ακόμα) θα έχουν εκθετικά υψηλότερες ταχύτητες υπολογισμού, γεγονός που θα τους καταστήσει το βασικό εργαλείο στην ενεργειακή εκμετάλλευση της θερμοπυρηνικής σύντηξης .
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι από τη δομή τους εξειδικευμένοι να επιλύουν προβλήματα (από τα απλούστερα μέχρι τα πλέον σύνθετα) της Κβαντικής Φυσικής. Όμως, η φυσική πλάσματος, όπως και πολλοί μεγάλοι τομείς της Φυσικής (ρευστά, κινητικές θεωρίες, μηχανική, συνεχή μέσα, κλπ.) βασίζεται στο κλασικό μοντέλο της Φυσικής. Η κατάστατη της ύλης που αναφέρεται ως πλάσμα αποτελείται από πολλά ηλεκτρόνια και ιόντα, τα συλλογικά χαρακτηριστικά των οποίων περιγράφονται αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας την κλασική στατιστική Φυσική. Αντίθετα, η Κβαντική θεώρηση στηρίζεται σε εντελώς διαφορετική λογική και τα περιγραφικά/μαθηματικά εργαλεία που χρησιμοποιεί είναι τελείως ξένα με τα αντίστοιχα κλασικά εργαλεία. Στη φυσική πλάσματος εξέχουσα θέση έχουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είτε ως αποτέλεσμα των διεργασιών στο πλάσμα, είτε ως εργαλεία για τη «χειραγώγησή» του. Τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου δημιουργίας και της αλληλεπίδρασής τους με το περιβάλλον τους, περιγράφονται από τις εξισώσεις του Μάξγουελ - ένα θεμελιώδες οικοδόμημα της κλασικής φυσικής του πλάσματος, καθώς και της γενικής Φυσικής. Η τυπική (κλασική) όμως μορφή των εξισώσεων του Μάξγουελ δεν είναι εκπεφρασμένη και προσαρμοσμένη στην κβαντική μαθηματική λογική ώστε να μπορεί να κωδικοποιηθεί για επίλυση σε κβαντικούς υπολογιστές.
Οι συντελεστές αυτών των δημοσιεύσεων αντιμετώπισαν επιτυχώς το πρόβλημα της μετεγγραφής των εξισώσεων του Maxwell μέσω των απεικονίσεων (τελεστών) του εξέχοντος Βρεττανού φυσικού Freeman Dyson και τη αναδιατύπωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και των εξισώσεων σε μια εξίσωση τύπου Dirac, γεφυρώνοντας έτσι το μεθοδολογικό/μαθηματικό χάσμα μεταξύ της κλασικής φυσικής και της κβαντομηχανικής. Οι απεικονίσεις αυτές μπορούν να μεταγράψουν φυσικές παραμέτρους που εκφράζονται σε ένα μαθηματικού χώρο περιγραφής σε έναν διαφορετικό χώρο. Στην περίπτωση των εξισώσεων Μάξγουελ μια τέτοια απεικόνιση κατέστησε δυνατή την μελέτη της διάδοσης των κλασικών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με τη βοήθεια κβαντικών υπολογιστικών αλγορίθμων. Μεταξύ των σημαντικών αποτελεσμάτων των εργασιών αυτών είναι και η πρόταση ενός εξειδικευμένου κβαντικού κυκλώματος που κωδικοποιείται με εξισώσεις εκφρασμένες σε κβαντικά bits (“qubits”, αντί των κλασικών bits). Πολύ σημαντικό είναι το ότι αυτές οι μετεγγραφές από τη κλασική λογική στη κβαντική λογική μπορούν άμεσα να δοκιμαστούν σε κλασικούς υπολογιστές, πράγμα το οποίο ήδη επιχειρείται με επιτυχία.
(1) PRA paper: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.107.042215
(2) PoP paper: https://doi.org/10.1063/5.0177589