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Hochleistungsrechner löst Wellengleichungen in Rekordzeit
Wissenschaftler am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) und dem Paderborner Zentrum für Paralleles Rechnen (PC2) der Universität Paderborn haben ein leistungsfähiges Open-Source-Software-Tool entwickelt, das die Simulation von Lichtverhalten in Quantensystemen ermöglicht. Das Besondere: Mit „Phoenix“, so der Name, können Forscher komplexe Effekte innerhalb kürzester Zeit in bisher ungekannter Detailtiefe untersuchen – ohne dass dafür Kenntnisse im Hochleistungsrechnen erforderlich sind. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Computer Physics Communications “ veröffentlicht.
Phoenix löst Gleichungen, die beschreiben, wie Licht mit Materie auf Quantenniveau interagiert. Das ist für das Verständnis und die Gestaltung zukünftiger Technologien wie Quantencomputer und fortschrittliche photonische Geräte unerlässlich. „Konkret geht es um sogenannte nichtlineare Schrödinger- und Gross-Pitaevskii-Gleichungen in zwei räumlichen Dimensionen. Dank seiner Konzeption kann Phoenix auf Standard-Laptops oder Hochleistungs-GPUs laufen und ist bis zu tausendmal schneller und bis zu 99,8 Prozent energiesparender als herkömmliche Tools“, erklärt Prof. Dr. Stefan Schumacher vom PhoQS.
Phoenix ist kostenlos und für Forscher auf der ganzen Welt verfügbar. Die Software wird bereits verwendet, um neue physikalische Effekte in seltenen Quantenzuständen von Licht zu erforschen und kann Wissenschaftlern dabei helfen, Licht auf den kleinsten Skalen besser zu verstehen und zu kontrollieren.
Der Erstautor der aktuellen Studie, Doktorand Jan Wingenbach, ergänzt: „Die Optimierung auf das derzeitige Niveau war nur durch unsere enge Zusammenarbeit mit den HPC-Experten vom PC2 möglich." HPC – also High Performance Computing – gehört zu den zentralen Forschungsschwerpunkten der Universität Paderborn, die nicht nur eine lange Tradition und einschlägige Expertise im Bereich der rechnergestützten Wissenschaften hat, sondern gleichzeitig hochmoderne Infrastruktur auf Weltklasseniveau bietet. Ein Großteil der Rechenkapazität wird im Rahmen des Nationalen Hochleistungsrechnens (NHR) für Forschende aus dem gesamten Bundesgebiet bereitgestellt. Erst kürzlich schaffte es der neue Paderborner Supercomputer „Otus“ auf der ISC in Hamburg, der internationalen Messe für High Performance Computing, künstliche Intelligenz, Data Analytics und Quantencomputing, auf Platz 5 der sogenannten „Green 500“, der Liste der weltweit effizientesten Rechnersysteme.
Das PhoQS setzt weltweit Akzente im Bereich der Photonik und Quantenforschung. Dank eines interdisziplinären Teams von Experten aus den Bereichen Physik, Mathematik, Informatik und Elektrotechnik betreibt es exzellente Forschung in den Bereichen Quantensimulation, -kommunikation, -metrologie und -computing. Im vergangenen Jahr hat der erste lichtbasierte Quantencomputer Deutschlands (PaQS) seine Arbeit in Paderborn aufgenommen.
„Diese Synergie zwischen Spitzenforschung in der Quantenphotonik und dem Hochleistungsrechnen hat es uns ermöglicht, die Grenzen der Rechenleistung und -fähigkeit zu erweitern", fügt Dr. Robert Schade, wissenschaftlicher Mitarbeiter und HPC-Experte am PC2, hinzu. Vorläufige Versionen des Phoenix-Codes haben bereits zu wichtigen Durchbrüchen in der Quantenphotonik beigetragen. Das Programm wird laut Team ein wichtiges Rechenwerkzeug für die Erforschung neuer photonischer Zustände und ihrer Wechselwirkungen bieten.
Zum Paper: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465525001912
Weitere Informationen und Zugang zu Phoenix: https://github.com/Schumacher-Group-UPB/PHOENIX
Prof. Dr. Stefan Schumacher, Department Physik der Universität Paderborn, Fon: +49 5251 60-2334, E-Mail: stefan.schumacher@uni-paderborn.de
Prof. Dr. Christian Plessl, PC2 Paderborn Center for Parallel Computing der Universität Paderborn, Fon: +49 5251 60-5399, E-Mail: christian.plessl@uni-paderborn.de
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010465525001912
Prof. Christian Plessl, Dr. Robert Schade, Prof. Stefan Schumacher und Jan Wingenbach.
Quelle: Stefan Rohde
Copyright: Universität Paderborn
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Informationstechnik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsprojekte, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Prof. Christian Plessl, Dr. Robert Schade, Prof. Stefan Schumacher und Jan Wingenbach.
Quelle: Stefan Rohde
Copyright: Universität Paderborn
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