Bilimsel araştırmalarda karmaşık simülasyonlar, büyük hesaplama gücü gerektirdiği için genellikle süper bilgisayarlar üzerinde gerçekleştirilir. Ancak, moleküllerin kuantum davranışlarını simüle etmek gibi bazı araştırma alanları, katlanarak artan karmaşıklığı nedeniyle kuantum bilgisayarları gerektirebilir veya mevcut süper bilgisayarlar için basitleştirilmiş yaklaşımlar zorunlu hale gelebilir. Bu noktada, Çinli bilim insanları, mevcut bir süper bilgisayarı yapay zeka (YZ) modeliyle birleştirerek karmaşık kuantum kimyasını gerçek molekül ölçeğinde başarıyla modellemeyi başardı. Bu, hem bilimsel hem de teknolojik bir atılım olarak öne çıkıyor.
Kuantum mekaniğinde bir kuantum durumu, bir dalga fonksiyonu (Ψ) ile tanımlanır ve bu durum, bir moleküldeki elektronlar gibi parçacıkların tüm olası konfigürasyonlarını, spinlerini, enerji seviyelerini ve bunların olasılıklarını belirler. Parçacık sayısı arttıkça durum uzayı katlanarak büyüdüğü için bu durumun modellenmesi oldukça zordur. Bu nedenle, bilim insanları genellikle moleküler yapıları, reaksiyonları ve enerjileri açıklamak için dalga fonksiyonunu basitleştiren çeşitli yaklaşım yöntemleri kullanır. Ancak, mevcut dalga fonksiyonu yaklaşımlarının ölçeklenebilirliği genellikle küçük moleküllerle sınırlı kalmaktadır.
Fizikçiler, yıllar önce, güçlü elektron korelasyonlarına sahip çoklu-cisim kuantum sistemlerini (örneğin, onlarca elektron, yüzün üzerinde spin orbitali vb.) incelemek için modern makine öğrenmesi tabanlı vekil modellerini (neural network quantum states - NNQS gibi) önermişlerdi. Bu yöntem, YZ'nin ölçeklenebilirliğini kuantum doğruluğuyla birleştirerek, şu anda geleneksel yöntemlerle mümkün olmayan araştırmalara kapı aralamayı vaat ediyor.
120 spin orbitali ile yapılan bu deneyde araştırmacılar, kendi NNQS çerçevelerini geliştirdiler. Simülasyonları, bir molekülün dalga fonksiyonunu tahmin etmek için bir sinir ağını eğitti ve bu sayede elektronların nerede bulunma olasılığının en yüksek olduğu belirlendi. Örneklenen her elektron dizilimi için sistem, yerel enerjiyi hesapladı ve tahminleri molekülün gerçek kuantum enerji deseniyle eşleşene kadar ağı ayarladı.
Çin'in süper bilgisayarı için özel olarak uyarlanmış bu NNQS, özellikle yüksek performanslı hesaplama (HPC) için tasarlanmış, ancak YZ odaklı olmayan 384 çekirdekli bir işlemciye dayanıyor. Bu özel işlemcinin iş yüklerini nasıl paralelleştirdiği ve verileri nasıl işlediği göz önünde bulunduruldu. Araştırmacılar, işlemciler ve düğümler arasındaki koordinasyonu yöneten yönetim çekirdeklerinin yanı sıra, yerel kuantum hesaplamalarını gerçekleştiren milyonlarca "hafif" işlem öğesi (CPE) ile hiyerarşik bir iletişim modeli tasarladılar. Ayrıca, hesaplama yüklerinin dengesiz dağılmasını önlemek için dinamik bir yük dengeleme algoritması oluşturdular.
Bilim insanları, bu kodlarını 37 milyon CPE çekirdeği üzerinde çalıştırarak %92 güçlü ölçeklenme ve %98 zayıf ölçeklenme başarısı elde ettiler. Bu ölçekte böylesine yüksek bir verimlilik, yazılım ve donanım arasındaki neredeyse mükemmel bir senkronizasyonun sağlandığını gösteriyor ve bu, Çin'in süper bilgisayar topluluğu için önemli bir başarıdır. Ayrıca, 120 spin orbitali içeren moleküler sistemlerin simülasyonu, klasik bir süper bilgisayarda gerçekleştirilen en büyük YZ güdümlü kuantum kimyası hesaplaması olma özelliği taşıyor. Bu durum, Çin'in YZ ve kuantum endüstrileri için bir atılım olarak kabul ediliyor.
Bu başarı, NNQS'nin modern süper bilgisayarlarda kuantum fiziği araştırmaları için kullanılabileceğini tartışmasız bir şekilde ortaya koymuştur. Ancak, Oceanlite gibi bir exascale süper bilgisayarın, hem çaba hem de güç açısından YZ tabanlı kuantum fiziği araştırmaları için verimli bir şekilde kullanılıp kullanılamayacağını belirlemek henüz erken olabilir.
