Свет больше не свободен — его квантовая воля сломана домашним симулятором

Учёные из Института фотонных квантовых систем (PhoQS) и Центра параллельных вычислений (PC2) при Падерборнском университете разработали инструмент, радикально упрощающий моделирование поведения света в квантовых средах. Речь идёт о программной платформе под названием Phoenix — открытом и свободно распространяемом решении, которое делает расчёт сложнейших фотонных эффектов доступным не только владельцам суперкомпьютеров, но и исследователям, работающим на обычных ноутбуках.

В отличие от большинства существующих симуляторов, требующих специализированной аппаратной базы и глубоких знаний в области высокопроизводительных вычислений , Phoenix позволяет с высокой точностью и за минимальное время решать уравнения, описывающие квантовые взаимодействия света с веществом. Разработчики подчёркивают: теперь стало возможно исследовать явления, которые раньше были недостижимы из-за вычислительной сложности и ограниченной точности моделей. При этом пользователю не нужно разбираться в устройстве GPU, оптимизации потоков данных или балансировке ресурсов — все механизмы эффективности заложены внутри системы.

Основу платформы составляют численные методы, реализующие решение нелинейных уравнений Шрёдингера и Гросса–Питаевского в двумерной конфигурации. Эти выражения описывают, как квантовое состояние фотонного поля изменяется во времени под влиянием нелинейных эффектов среды — таких как самофокусировка, солитонные образования и другие коллективные явления при высоких плотностях энергии. Такие режимы особенно актуальны при проектировании фотонных чипов , оптических резонаторов и элементов квантовых компьютеров . Благодаря применённым алгоритмам, Phoenix позволяет не только воспроизводить известные процессы, но и обнаруживать ранее неописанные физические эффекты, связанные с экзотическими состояниями света.

Ключевым достоинством системы стала её вычислительная эффективность: тестирование показало ускорение в сотни, а порой и тысячи раз по сравнению с традиционными средствами симуляции. При этом энергопотребление снижено почти на 99,8% по сравнению с аналогичными решениями. Такой результат стал возможен благодаря тесному сотрудничеству физиков-теоретиков и специалистов по параллельной обработке данных из PC2, которым удалось адаптировать численные методы под современные вычислительные архитектуры.

Отдельное внимание в проекте было уделено гибкости и масштабируемости. Программа одинаково уверенно работает как на одиночных процессорах, так и на GPU-ускорителях, а также поддерживает запуск на распределённых кластерах. Благодаря этому Phoenix может применяться как в университетских лабораториях, так и в индустриальной среде, где требуется моделирование фотонных режимов с учётом квантовых нелинейных эффектов.

Уже сейчас система активно используется для анализа редких состояний света и их взаимодействия с упорядоченными средами. В частности, с её помощью исследуются квантовые жидкости, когерентные фотонные конденсаты и связанные с ними нелинейные колебательные режимы, в которых проявляются коллективные свойства, аналогичные сверхтекучести. Всё это открывает новые горизонты в теоретической оптике и прикладной фотонике, позволяя строить модели, которые раньше существовали лишь в приближённой форме.

По словам авторов, ещё до официальной публикации ранние версии Phoenix уже применялись в ряде научных проектов, результаты которых легли в основу заметных публикаций по квантовой фотонике. Развитие платформы продолжается, и в перспективе она может занять ключевое место среди вычислительных средств в этой дисциплине — наравне с симуляторами, используемыми в атомной, твердотельной и статистической физике.

Публикация в журнале Computer Physics Communications официально закрепила техническую специфику проекта и утвердила его открытый статус. Теперь любой желающий может скачать код, адаптировать его под собственные задачи и использовать в реальных экспериментах. Такой подход не только ускоряет исследовательскую работу, но и способствует развитию сообщества, где теоретики и инженеры объединяют усилия в создании новых вычислительных инструментов.