Hochleistungsrechner löst Wellengleichungen 1000 mal schneller Das Open-Source-Programm Phoenix für Quantenphysik kommt aus Paderborn

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Wissenschaftler am 'Institut für Photonische Quantensysteme' (PhoQS) und dem Paderborner 'Zentrum für Paralleles Rechnen' (PC2) der Universität Paderborn haben ein Open-Source-Software-Tool entwickelt, das die Simulation von Lichtverhalten in Quantensystemen ermöglicht.

Nach Angaben der Forscher ist das Besondere an „Phoenix“, so die Bezeichnung der Software, dass sich komplexe Effekte innerhalb kürzester Zeit in bisher ungekannter Detailtiefe untersuchen lassen, ohne dass dafür Kenntnisse im Hochleistungsrechnen erforderlich sind. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der 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. Das Programm wird ein wichtiges Rechenwerkzeug für die Erforschung neuer photonischer Zustände und ihrer Wechselwirkungen.

Professor Stefan Schumacher vom PhoQS, erläutert: „Konkret geht es um so

genannte nichtlineare Schrödinger- und Gross-Pitaevskii-Gleichungen in zwei räumlichen Dimensionen. Dank seiner Konzeption kann Phoenix auf Standard-Laptops oder auch auf Hochleistungs-GPUs laufen und ist bis zu tausendmal schneller und bis zu 99,8 Prozent energiesparender als herkömmliche Tools.“

Kostenlos und überall zu haben

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." High Performance Computing (HPC) 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.

Hochleistungsrechnen für Simulationen

An der Uni Paderborn rechnet nun Supercomputer Otus

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 „Green 500“, der Liste der weltweit effizientesten Rechnersysteme.

Erfolge mit ersten Phoenix-Versionen

Vorgängerversionen von Phoenix wurden unter anderem verwendet, um optisch steuerbare photonische Bits in einem Quantenfluid aus hybriden Licht- und Materieteilchen zu modellieren, wobei eine gesteuerte Umschaltung von optischen Wirbeln in Zusammenarbeit mit der TU Dortmund im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/TRR142 demonstriert wurde.

Sie unterstützten auch grundlegende Studien zu makroskopischen Analoga von Qubits, die Untersuchung von Split-Ring-Polariton-Kondensaten als Zweiniveau-Quantensysteme sowie Forschung zur Quantenkohärenz in Polariton-Kondensaten, die eine ultra-schnelle zeitaufgelöste Tomographie von Quantenzuständen komplexer kondensierter Systeme ermöglichte, ebenfalls in Zusammenarbeit mit der TU Dortmund im Rahmen des TRR142.

Mit der vollständigen Veröffentlichung von Phoenix werden diese Studien nun erheblich erweitert. Die Software wird eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung der Forschung am PhoQS spielen, insbesondere bei der Quanteninformationsverarbeitung und hybriden Photon-Materie-Quantensystemen. In der vergangenen Woche hat Jan Wingenbach das Projekt auf einer Physik-Fachtagung, der „OECS19“-Konferenz in Warschau präsentiert. Dafür hat er den 'Best Poster Award' gewonnen.

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