El Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía ha lanzado una importante colaboración de investigación de cuatro años destinada a cambiar la forma en que los científicos entienden los materiales cuánticos en desequilibrio.
La iniciativa reúne a laboratorios nacionales y socios académicos para aprovechar el poder de la computación de alto rendimiento (HPC) y las supercomputadoras de exaescala para investigar sistemas cuánticos alejados del equilibrio.
El programa, conocido como Numéricos controlados para transitorios emergentes en materia cuántica en desequilibrio (CONNEQT), está diseñado para superar barreras de larga data en el modelado y la predicción del comportamiento dinámico de materiales cuánticos en condiciones del mundo real.
Importancia de los materiales cuánticos en desequilibrio
En entornos del mundo real, los materiales rara vez son estacionarios. Están constantemente expuestos a la luz, el calor, la corriente eléctrica, los campos magnéticos o las corrientes de energía, todo lo cual perturba su estado de equilibrio.
Para los materiales cuánticos, estas perturbaciones pueden cambiar drásticamente el comportamiento electrónico y magnético, revelando a veces propiedades que permanecen ocultas cuando el sistema es estable.
Por lo tanto, comprender los materiales cuánticos en desequilibrio es esencial para el avance de tecnologías como la computación cuántica, la microelectrónica, la detección y el procesamiento de información.
Al alterar deliberadamente el equilibrio de los materiales, los científicos pueden diseñar nuevos estados cuánticos y controlar fenómenos inusuales según sea necesario.
Cooperación nacional con ambiciones globales
ORNL lidera el esfuerzo CONNEQT con investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y la Universidad de Tennessee, Knoxville.
El equipo está trabajando en conjunto para construir un marco interdisciplinario que combine física, matemáticas aplicadas e informática.
Esta colaboración tiene como objetivo abordar importantes desafíos. Aunque las herramientas experimentales avanzan rápidamente, los modelos teóricos y las simulaciones todavía luchan por describir el comportamiento cuántico de desequilibrio en escalas de tiempo y longitud realistas.
Cerrar esa brecha es esencial para convertir los descubrimientos de laboratorio en tecnologías prácticas.
La computación a exaescala como motor científico
Un elemento central de este proyecto es el uso de supercomputadoras de primer nivel, incluida Frontier de ORNL, el primer sistema del mundo en cruzar el umbral de exaescala.
Estas máquinas pueden realizar más de mil millones de cálculos por segundo, lo que permite simulaciones que antes eran imposibles.
Los investigadores de CONNEQT aprovechan este poder computacional para modelar sistemas cuánticos que interactúan fuertemente, como superconductores no convencionales y líquidos de espín cuántico.
Estos materiales exhiben efectos complejos de muchos cuerpos que requieren grandes cantidades de recursos computacionales para simularlos con precisión, especialmente cuando están lejos del equilibrio.
Tres pilares de la investigación
Durante los próximos cuatro años, el equipo perseguirá tres objetivos principales. Primero, desarrollamos un marco computacional controlado e imparcial para estudiar las interacciones de electrones sujetos a fuerzas externas.
En segundo lugar, aplicamos técnicas avanzadas de matemáticas e informática para acelerar la simulación de sistemas dinámicos altamente complejos.
En tercer lugar, utilizamos plataformas de exaescala para revelar cómo las interacciones electrónicas colectivas dan lugar a patrones transitorios y comportamientos emergentes en materiales cuánticos en desequilibrio.
En conjunto, estos esfuerzos tienen como objetivo redefinir el estado del arte en el modelado de materiales cuánticos.
Impacto en la energía y la innovación
Esta investigación cuenta con el apoyo del programa Science Discovery Through Advanced Computing del DOE, con financiación de la División de Investigación Científica Avanzada en Computación y Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias.
Esto también se alinea con la Misión Génesis del DOE, cuyo objetivo es construir el ecosistema científico más sólido del mundo para el descubrimiento y la innovación.
Al combinar la computación a exaescala habilitada por IA con física de vanguardia, la colaboración CONNEQT tiene el potencial de acelerar los avances en tecnologías relacionadas con la energía, fortalecer la competitividad nacional y abrir nuevos caminos en la investigación de materiales cuánticos en desequilibrio.
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