視点: 量子コンピューティングと原子力産業: 展望

2023 年 8 月 29 日

Jacobs ANSWERS テクニカル ディレクターの Paul Smith 教授が説明するように、ある研究プロジェクトでは、量子コンピューティングが原子力、医療、宇宙産業における放射線施設の設計と運用に多大なメリットをもたらす可能性が浮き彫りになっています。

放射線輸送のモデリングは核物理学の基礎であり、原子炉の設計と運転、燃料製造、貯蔵、輸送、廃止措置、地層処分に至るあらゆる分野で役割を果たします。 原子力と廃炉以外にも、核医学、宇宙産業、食品照射、油井検層などでも重要な役割を果たしています。

モンテカルロ コードは、電磁放射線の吸収、放出、散乱によって物理エネルギーが伝達される方法 (放射線輸送として知られる) を理解するためのシミュレーションを作成し、方程式を解くための参照方法です。

コードは、放射線粒子 (光子、中性子、荷電粒子など) がさまざまな物質を通過してさまざまな構造と相互作用する際の、その動きと相互作用をモデル化して理解できるように設計されています。

放射線輸送の方程式を解くには、主に 2 つのアプローチがあります。 決定論的アプローチでは、数学方程式を解くために従来の数値的手法が使用されます。これには多くの近似が含まれます。 代替のモンテカルロ手法では、個々の粒子のパスをシミュレートする必要があります。これには近似が少なくなりますが、一部のアプリケーションでは法外に時間がかかります。 このような場合、これは、より近似的ではあるものの、より迅速に到達できる決定論的解の精度をテストするために、忠実度の高い解を生成するために使用されます。

Jacobs の一部である ANSWERS Software Service は、モンテカルロ法の高速化における量子コンピューティングの潜在的な利点を調査するプロジェクトを主導しました。

新しいアプリケーションの研究を支援する英国国立量子コンピューティングセンターの SparQ プログラムの支援を受けたこのプロジェクトは、モンテカルロ法の実行時間を改善して競争力を高めるために、従来のデジタルコンピューティングの代わりに量子コンピューティングを活用する利点を調査することを目的としていました。

ANSWERS は、放射線遮蔽、線量評価、核臨界安全性、原子炉物理解析に世界中で広く使用されている MCBEND および MONK 3D モンテカルロ コードを提供およびサポートしています。 たとえば、ANSWERS ソフトウェアは、放射性物質用輸送フラスコの設計と安全ケースの製造をサポートするために使用されます。

乱数生成、核データベース検索、レイ トレーシング、モンテカルロ プロセス自体など、いくつかのプロセスがモンテカルロ放射線輸送計算を実行する計算コストに大きく寄与します。 これらのプロセスごとに、量子アルゴリズムが利用可能であるか、開発中です。 量子乱数生成には、真にランダムな量子プロセスに基づいて真の乱数を生成できるという明らかな利点があります。一方、従来の計算手法では、計算にバイアスをもたらす可能性のある微妙な相関の影響を受ける可能性のある擬似乱数または準乱数しか生成できません。結果。

デジタル コンピューターは 0 または 1 のデータ ビットを操作しますが、量子コンピューターは量子ビット、つまり 0 と 1 の状態を重ね合わせた 2 状態の量子力学的システムを操作します。 たとえば、光は水平偏光または垂直偏光である可能性があります (偏光レンズを備えたメガネを通して LED テレビを見て、頭をさまざまな角度に傾けてみてください)。 個々の光子が水平に対して 45 度で偏光している場合、それは水平状態と垂直状態の重ね合わせにあると考えることができます。

これにより、量子コンピューターは 1 回の操作で多くの状態を処理できるようになり、処理能力が飛躍的に向上し、デジタル コンピューターでは不可能な複雑な問題解決を実現できます。 実際には、多くの量子アルゴリズムは、従来のデジタル コンピューターに比べて 2 次の利点を提供します。たとえば、従来のアルゴリズムを使用すると 100 万回かかる演算を、量子アルゴリズムは 1000 回の演算で達成できます。