Computación cuántica
Investigadores Desarrollan un Enfoque Computacional para Simular Interacciones entre la Luz y la Materia
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Los investigadores de la Universidad de Tsukuba en Japón han desarrollado un nuevo enfoque computacional para simular las interacciones entre la luz y la materia a escala atómica. Estas interacciones entre la luz y la materia se utilizan a menudo para crear tecnologías como láseres, diodos emisores de luz (LED) y relojes atómicos. Sin embargo, los enfoques computacionales existentes para modelar estas interacciones a menudo son limitados en utilidad y capacidad.
El nuevo estudio se publicó en The International Journal of High Performance Computing Applications.
Método Computacional Altamente Eficiente
La investigación describe un nuevo método altamente eficiente para simular las interacciones entre la luz y la materia a escala atómica.
Una de las razones por las que estas interacciones son tan difíciles de simular es que los fenómenos asociados con las interacciones involucran muchas áreas diferentes de la física, como la propagación de ondas de luz y la dinámica de electrones e iones en la materia. Otro desafío es que los fenómenos pueden cubrir una amplia gama de escalas de longitud y tiempo.
Dos Métodos Separados
La naturaleza multifísica y multiscale del problema significa que las interacciones entre la luz y la materia se modelan generalmente con dos métodos computacionales separados. El primero de estos métodos se llama análisis electromagnético, y se ocupa de los campos electromagnéticos de la luz que se estudia. El segundo es un cálculo cuántico-mecánico de las propiedades ópticas de la materia.
Estos dos métodos asumen que los campos electromagnéticos son débiles y hay una diferencia en la escala de longitud.
El profesor Kazuhiro Yabana es el autor principal del estudio.
“Nuestro enfoque proporciona una forma unificada y mejorada de simular las interacciones entre la luz y la materia”, dice Yabana. “Logramos esto resolviendo simultáneamente tres ecuaciones físicas clave: la ecuación de Maxwell para los campos electromagnéticos, la ecuación de Kohn-Sham dependiente del tiempo para los electrones y la ecuación de Newton para los iones.”
Los investigadores confiaron en su software de código abierto SALMON (Simulador de luz y materia para óptica y nanociencia) para implementar el método. Optimizaron el código de simulación para maximizar su rendimiento antes de probar el código modelando las interacciones entre la luz y la materia en una delgada capa de dióxido de silicio amorfo. Esta delgada capa de dióxido de silicio amorfo consiste en más de 10,000 átomos.
La simulación se llevó a cabo utilizando casi 28,000 nodos de Fugaku, que es el supercomputador más rápido del mundo ubicado en el Centro de Ciencias Computacionales de RIKEN en Kobe, Japón.
“Encontramos que nuestro código es extremadamente eficiente, alcanzando el objetivo de un segundo por paso de tiempo de cálculo que es necesario para aplicaciones prácticas”, dice el profesor Yabana. “El rendimiento está cerca de su valor máximo posible, establecido por la banda de la memoria del computador, y el código tiene la propiedad deseable de una excelente escalabilidad débil.”
Este nuevo enfoque podría usarse para explorar diferentes fenómenos en óptica y fotónica a escala nanométrica.
