"Het belangrijkste doel van QuART is om efficiëntere benaderingen te vinden voor het oplossen van de complexe vergelijkingen in atmosferische simulaties door gebruik te maken van de eigenschappen van een kwantumcomputer"
Kwantumbenaderingen voor ray tracing
Kwantumcomputing is allang geen futuristisch project meer. Nieuwe technologieën en computerprototypes worden in hoog tempo ontwikkeld en er worden voortdurend algoritmen ontworpen om ze te benutten. SURF, QuSoft en de WUR onderzoeken samen hoe je met ray tracing het modelleren en simuleren van zonnestraling in de atmosfeer kunt toepassen.
Wat is ray tracing?
Wanneer licht door verschillende optische media gaat, kan het verstrooid worden, geabsorbeerd of uitgezonden worden, en reflecteren of breken van oppervlakken. Deze processen worden beheerst door de rendering equation, meer algemeen bekend als de radiative transfer equation.
Ray tracing is een methode voor het modelleren van lichttransport in media met reflecterende en brekende oppervlakken en geeft in wezen een numeriek benaderingsschema voor de oplossing van de vergelijking van de stralingsoverdracht.
Hoe werkt het?
Na het identificeren van een interessant punt, dat een pixel op een scherm of een punt in een driedimensionaal medium kan zijn, worden lichtstralen in verschillende richtingen geschoten. Deze stralen worden vervolgens een klein stukje voortgestuwd en op basis van de vergelijking voor de stralingsoverdracht wordt bepaald of zij verstrooiing, absorptie, reflectie of breking ondergaan. De gebeurtenissen bepalen de radiantie – de flux van straling die per eenheid van ruimtehoek in een bepaalde richting wordt uitgezonden door een eenheid van een bron – op het scherm en de media (radiantie als functie van de ruimte). Na een verstrooiing wordt een nieuwe richting voor de straal gegenereerd en wordt het proces herhaald. In de limiet van oneindig veel herhalingen wordt een exacte oplossing voor de radiantie gegenereerd, maar in de praktijk bepaalt de rekenkracht natuurlijk het maximum aantal iteraties.
Waar is het relevant?
Ray tracing wordt niet alleen veel gebruikt in computergraphics om realistische beelden te renderen, maar ook in wetenschappelijke toepassingen waar de interacties van de fysieke wereld met licht een belangrijke rol spelen. De Wageningen Universiteit (WUR) implementeert ray tracing bijvoorbeeld in atmosferische simulaties om de stralingsfluxen van de zon te berekenen. Wolkenvorming wordt gedreven door invallende zonnestraling en de warmte en het vocht dat vrijkomt van het aardoppervlak. Wolken beïnvloeden ook de verdeling van zonnestraling op het aardoppervlak en in de atmosfeer door het binnenkomende licht gedeeltelijk te reflecteren en te absorberen. Atmosfeermodellen moeten de vergelijking van de stralingsoverdracht oplossen. Het oplossen van de stralingsoverdrachtsvergelijking is verre van triviaal en in het algemeen wordt uitgegaan van een ééndimensionaal atmosfeermodel (verticaal één dimensie). Deze aanname levert een kwalitatieve, maar niet erg realistische benadering op. Andere alternatieven zijn bijvoorbeeld het gebruik van Monte Carlo integratie om een meer nauwkeurige driedimensionale oplossing te verkrijgen.
De (parallelle) aard van het probleem (het volgen van verschillende lichtbundels terwijl zij zich verspreiden) suggereert dat het mogelijk voordeel kan halen uit kwantumcomputers.
Ray tracing, een kwantumprobleem?
Kwantumcomputers zijn niet bedoeld om elk type probleem of alle problemen op te lossen. Kwantum- en klassieke computertechnologieën vullen elkaar aan en het is in hun combinatie dat we voordelen vinden voor een bepaalde toepassing.
SURF en QuSoft zijn op zoek naar een hybride kwantum-klassieke aanpak voor het ray tracing probleem. De oplossing zal vervolgens worden geïntegreerd in de grotere klassieke workflow voor simulaties van atmosferische dynamica. De volledige toepassing zal dus gedeeltelijk worden uitgevoerd in HPC-infrastructuur en gedeeltelijk op een echte quantum processing unit (QPU) gehost in een publieke cloud.
"Het vinden en testen van toepassingen met kwantumalgoritmen stelt ons ook in staat beter te begrijpen waar kwantumcomputers goed in kunnen zijn, voor welk type problemen ze geschikt zijn en wat de benodigde inspanningen zijn om klassieke problemen in kwantumproblemen te mappen om te profiteren van deze nieuwe technologie"
QuSoft is een toonaangevend instituut voor de ontwikkeling van kwantumalgoritmen in de juiste taken die beloven de bestaande klassieke algoritmen over te nemen. Ray tracing is een rijk onderwerp dat uitnodigt tot toepassingen van verschillende quantum algoritmen, zoals somschatting en het oplossen van differentiaalvergelijkingen"
Mert werkt aan dit project als postdoctoraal onderzoeker. Uiteindelijk hopen SURF en QuSoft de methodologie en de methode zelf te verspreiden, zodat de kwantum-, meteorologie- en -meer in het algemeen- de bredere wetenschappelijke gemeenschappen kunnen profiteren van de resultaten en leerervaringen van dit project.
Verspreiden van kennis
Voor alle partijen betekent het partnerschap een uitbreiding van hun onderzoeksgebieden.
De WUR zal helpen met domeinkennis en met het begeleiden van mogelijke integratie in de uiteindelijke atmosferische simulatiecode.