Grupa naukowców z Politechniki Poznańskiej pracuje nad stworzeniem precyzyjnego opisu struktury atomu, który znajdzie zastosowanie m.in. w opisywaniu własności występujących w przyrodzie pierwiastków. Zadaniem badaczy jest wyznaczenie dokładnej funkcji falowej umożliwiającej przewidywanie konkretnych własności atomów. Ma to ogromne znaczenie zarówno dla interpretacji danych pochodzących z kosmosu, jak i dla przeprowadzania laboratoryjnych doświadczeń.
„Rozszyfrowanie” atomów z kosmosu
Znajdujące się we wszechświecie swobodne atomy oraz ich jony emitują światło zawierające składowe miliardów dyskretnych częstotliwości. Te mierzone są na Ziemi, ale także przy pomocy spektroskopów umieszczonych na orbicie w przestrzeni kosmicznej, np. teleskopu Hubble’a. Następnie częstotliwości przyporządkowuje się do poszczególnych atomów lub jonów, uzyskuje się informacje o „czasie życia”, czyli o okresie przebywania atomu w stanie wzbudzonym oraz „szyfruje się” w nich informacje o specyfice oddziaływań zebranych w atomie. Po „rozszyfrowaniu” tych danych powstaje model atomu oraz informacja o jego otoczeniu, np. temperatura gwiazd czy wielkość pól magnetycznych. Metrolodzy dążą do zmierzenia wszystkich częstotliwości emitowanych przez poszczególne atomy z dokładnością, która pozwoli na dalsze badanie zjawisk wynikających z praw fizyki kwantowej. Niemniej jednak, takie dane mogą zostać właściwie zinterpretowane jedynie w oparciu o dostępność odpowiednich modeli, które umożliwiają rozpoznawanie atomów będących ich źródłem.
Teleskop Hubble’a i inne obserwatoria stanowią niezwykle bogate źródło danych o obiektach znajdujących się w kosmosie. Interpretacja tych danych wymaga pomiaru w laboratorium częstotliwości fal elektromagnetycznych emitowanych przez atomy konkretnych pierwiastków. Wyniki uzyskane przez fizyków z Politechniki Poznańskiej pozwoliły w ostatnim czasie opisać strukturę poziomów oraz zinterpretować widma obserwowane dla atomów holmu i terbu. Osiągnięcie tych rezultatów było możliwe dzięki obliczeniom wykonanym na platformie Azure.
Kosmiczne obliczenia kwantowe w Microsoft Azure
Z olbrzymiej liczby rejestrowanych zdarzeń radiacyjnych jedynie niewielka część jest stosownie ugrupowana – znany jest pierwiastek, energia oraz liczby kwantowe opisujące poziomy, pomiędzy którymi zachodzi przejście radiacyjne. Stworzenie modelu atomu pozwalającego przewidywać częstotliwości promieniowania ma zasadnicze znaczenie, zarówno jeśli chodzi eksperymenty prowadzone w laboratoriach, jak i interpretację danych płynących z obserwacji astronomicznych. Analiza atomów o złożonej strukturze poziomów energii, do których należą między innymi terb oraz holm, wymaga dużych mocy obliczeniowych. Bez grantu (20 tysięcy dolarów) do wykorzystania w chmurze obliczeniowej Microsoft Azure, który otrzymał dr Andrzej Sikorski, podjęcie pracy w tym obszarze nie byłoby w ogóle możliwe. Utworzenie modelu dopasowanego do zidentyfikowanych już poziomów energetycznych polega na wielokrotnym rozwiązywaniu zagadnienia własnego dużych macierzy i wielokrotnej korekcji określających ten model parametrów – stąd konieczność użycia potężnych mocy obliczeniowych.
Według dr. Andrzeja Sikorskiego, odpowiedzialnego za programistyczną i informatyczną część projektu, zastosowanie chmury Azure pozwoliło na daleko idącą optymalizację oraz modernizację stworzonego w grupie i wykorzystywanego od wielu lat oprogramowania. Zaimplementowano zarówno wielowątkowość, jak i rozproszenie obliczeń oparte o protokół MPI. Dzięki temu obliczenia były wykonywane z maksymalną wydajnością. Do tej pory wielowątkowość oparta była jedynie na bibliotece MKL firmy Intel, niemniej jednak, zespół z Politechniki Poznańskiej w ramach swoich prac opracował już własne, oryginalne metody numeryczne. Te, zorientowane są na specyfikę przetwarzanych danych.
– Wydajność i elastyczność Azure wcale nas nie rozleniwiła – komentuje dr Andrzej Sikorski – – wręcz przeciwnie. Uzyskane wyniki i możliwość wykonania obliczeń w skali dotąd niedostępnej, zmotywowały nas do opracowania nowatorskich metod, które w dalszej perspektywie pozwolą uzyskać jeszcze bardziej spektakularne rezultaty. Dzięki temu nasz nowy algorytm obliczeń będzie już w pełni skalowalny.
To jeszcze nie koniec…
Jednym z efektów (tym razem czysto technicznym) było też opracowanie oryginalnego modelu klastra bazującego na zbiorze maszyn wirtualnych. Z uwagi na duży rozmiar danych wejściowych zdecydowano się na użycie zestawu maszyn wirtualnych, pozwalających na przechowanie parametrów na lokalnych dyskach. W celu optymalnego wykorzystania dostępnych zasobów zaimplementowano własną infrastrukturę, wzorując się na usłudze Azure Batch.
Końcowym rezultatem przeprowadzonych prac było określenie funkcji falowej opisującej stan atomu. Znajomość dokładnej funkcji falowej pozwoliła na scharakteryzowanie, zgodnie z regułami mechaniki kwantowej, oczekiwanych wartości dla wielkości dających się zweryfikować doświadczalnie. Najistotniejszymi ze wspomnianych były energie stanów kwantowych atomów. W przypadku terbu i holmu uzyskane wyniki można było wykorzystać zarówno do interpretacji danych pochodzących z obserwatoriów, jak i do zaplanowania eksperymentów z dziedziny spektroskopii laserowej. Uzyskane efekty mogą w przyszłości ułatwić także odnalezienie stanów energetycznych o odpowiednio długim czasie życia.