Znak Politechniki Warszawskiej

Superobliczenia fizyków z PW na superkomputerze

Naukowcy z Politechniki Warszawskiej, którzy biorą udział w projekcie: (od lewej) dr Kazuyuki Sekizawa, mgr Bugra Tuzemen, prof. Piotr Magierski oraz dr Gabriel Wlazłowski (kierownik projektu), fot. BPI

Po raz pierwszy w historii polski zespół badawczy będzie pracował na największym europejskim superkomputerze Piz Daint. Grupa badawcza pod kierownictwem dr. inż. Gabriela Wlazłowskiego z Wydziału Fizyki PW będzie zgłębiać tajemnice nadciekłości i nadprzewodnictwa. Czy szykuje nam przełomowe odkrycie?

– Staramy się stworzyć metodę, która byłaby w stanie bardzo dokładnie opisywać zachowania układów, które są nadciekłe lub nadprzewodzące – tłumaczy dr inż. Gabriel Wlazłowski. – Od wielu lat wiadomo, jak te równania wyglądają. Problem leży w ich rozwiązaniu – są one bardzo skomplikowane, dlatego potrzebujemy superkomputera do ich rozwiązania.

Magiczne materiały

Na początku XX wieku holenderski fizyk Heike Kamerlingh-Onnes odkrył, że istnieją materiały, w których opór elektryczny całkowicie znika. Nazwał je nadprzewodnikami, a samo zjawisko nadprzewodnictwem. Jest ono osiągalne w niektórych materiałach, zwykle w bardzo niskiej temperaturze. Z kolei nadciekłość to stan materii, który charakteryzuje się całkowitym zanikiem lepkości. Co to oznacza? Mniej więcej tyle, że materia, która znajduje się w tym stanie, puszczona w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym, może w nim krążyć bez końca, nie potrzebując do tego żadnej dodatkowej energii.

– Polega to na tym, że mamy cząstki układu, które mogą poruszać się bez tarcia – wyjaśnia dr inż. Gabriel Wlazłowski. – Jeśli te cząstki mają ładunek elektryczny, taki prąd płynie bez oporu i mamy do czynienia z nadprzewodnictwem. Ale możemy mieć też takie elementy układu, które nie mają ładunku, np. atomy i wtedy mówimy o nadciekłości.

Przez lata naukowcy interesowali się tymi zjawiskami. Za kolejne odkrycia w tej materii fizycy kilkukrotnie otrzymywali nagrody Nobla. Nadprzewodniki, ze względu na ich specyficzne właściwości, są bardzo istotne w technice i nauce. Mogą nieograniczenie i bez strat podtrzymywać ruch cząstek. Raz wzbudzony w nadprzewodniku prąd, płynie w nim nawet po odłączeniu zewnętrznego źródła.

Najpotężniejszy europejski superkomputer Piz Daint znajdujący się w Szwajcarii. Ma ponad 200 tysięcy procesorów oraz prawie 420 tysięcy gigabajtów pamięci operacyjnej, źr. www.cscs.ch

Nowe spojrzenie

Celem badań naukowych prowadzonych przez zespół dr inż. Gabriela Wlazłowskiego będzie sprawdzenie, z jaką dokładnością współczesna nauka potrafi przewidywać zachowanie nadprzewodników i nadcieczy. Okazuje się, że oba typy układów można opisać za pomocą jednej spójnej teorii – mechaniki kwantowej.

Chociaż równania matematyczne, które opisują nadprzewodnictwo i nadciekłość, znane są już od 60 lat, to ich pełne rozwiązanie ciągle stanowi ogromne wyzwanie dla nauki. Jedynie superkomputery wyposażone w setki tysięcy procesorów oraz dziesiątki tysięcy gigabajtów pamięci RAM są w stanie sprostać temu wyzwaniu. – Główną barierą w rozwiązaniu tych równań były do tej pory niewystarczające jednostki obliczeniowe – mówi dr Wlazłowski. – Próbowano oczywiście rozwiązać te równania, jednak stosowano pewne przybliżenia i uproszczenia, co nigdy nie dawało pełnego obrazu badanych zjawisk.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej opracowaniem odpowiedniego oprogramowania do badania tych zjawisk zajmują się już od ponad 10 lat. W tym czasie już kilkukrotnie otrzymywali dostęp do innych superkomputów, nawet lepszych od Piz Daint znajdującego się w Szwajcarii. – Lata ciężkiej pracy zaowocowały tym, że zbudowaliśmy takie narzędzia badawcze, którymi nikt inny nie dysponuje – mówi prof. dr hab. inż. Piotr Magierski – W tym momencie jesteśmy absolutnym liderem na świecie.

Superobliczenia na superkomputerze

Przez rok na superkomputerze Piz Daint będzie pracował międzynarodowy zespół dr. Wlazłowskiego: naukowcy oraz eksperci od superobliczeń z Politechniki Warszawskiej (prof. Piotr Magierski, dr Janusz Oleniacz, dr Kazuyuki Sekizawa, dr Janina Grineviciute, mgr Bugra Tuzemen i inż. Konrad Kobuszewski) oraz z Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Uniwersytetu Warszawskiego (mgr Maciej Marchwiany). Dodatkowo zespół uzupełniają także naukowcy z USA: prof. Aurel Bulgac i mgr Shi Jin z Uniwersytetu Stanu Waszyngton, dr Ionel Stetcu z Los Alamos National Laboratory oraz dr Kenneth Roche z Pacific Northwest National Laboratory.

Praca będzie więc odbywać się zdalnie. Jej złożoność polega na tym, że zespół działa na kilku poziomach. – Kwestią podstawową jest oczywiście znajomość procesów fizycznych – wylicza prof. Piotr Magierski. – Drugi poziom obejmuje przetłumaczenie zjawisk fizycznych na język zrozumiały dla komputera. Wreszcie, musimy pamiętać o dostosowaniu metod obliczeniowych do architektury danego komputera.

Czy szykuje się rewolucja?

– Zjawisko nadciekłości jest bardzo ważne w procesie rozszczepienia jądra atomowego, a dodatkowa wiedza na ten temat może pomóc w lepszym gospodarowaniu energią jądrową i zwiększeniu wydajności reaktorów – tłumaczy prof. Magierski. – My szukamy jednak nowych zjawisk, które dotychczas nie zostały zauważone lub zbadane.

– Na zjawisko nadprzewodnictwa i nadciekłości patrzymy dość szeroko – dodaje dr Wlazłowski. – Badamy zarówno jądra atomowe, które są jednocześnie nadciekłe i nadprzewodzące. Nadciekłe mogą być także gwiazdy. Chcemy te wszystkie zjawiska opisać w ramach jednej spójnej teorii.

Nic więc dziwnego, że nasi naukowcy z niecierpliwością czekają na rezultaty swoich badań. – Mamy nadzieję, że coś ciekawego będziemy w stanie przewidzieć – mówi prof. Piotr Magierski. – Wiemy, że nikt w tej chwili nie może nas ubiec.

---------------------------------------------

Nasi badacze otrzymali grant obliczeniowy w ramach konkursu ogłoszonego przez PRACE (Partnerstwo w Zaawansowanych Obliczeniach Komputerowych w Europie). Zadaniem tej europejskiej instytucji z siedzibą w Brukseli jest udostępnianie największych superkomputerów dla najbardziej innowacyjnych, europejskich projektów badawczych.

Badania będą finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu MAESTRO prof. Piotra Magierskiego oraz grantu SONATA dr. Gabriela Wlazłowskiego.

 

Monika Bukowska

Biuro ds. Promocji i Informacji