Algoritmos y herramientas para representar y observar simulaciones de experimentos de física cuántica computacional

Resum

Esta tesis explora dos desafíos relacionados con la simulación de la ecuación no lineal de Schrodinger (NLSE) desde laperspectiva de la informática: (1) técnicas computacionales eficientes y algoritmos que explotan detalles de bajo nivelde CPUs y GPU modernas, y (2) visualización novedosa del solución mediante gráficos de computadora modernos conun motor de animación 3D. Ambos son problemas desafiantes cuya solución tendría un amplio impacto en otroscampos de la ciencia computacional.Para un físico cuyo objetivo es estudiar el comportamiento de los procesos físicos descritos por NLSE, desarrollarsoftware cuidadosamente diseñado y optimizado que gestione adecuadamente la CPU subyacente y el hardware de laGPU está más allá del alcance de sus objetivos. Para esto, se requieren conocimientos técnicos especializados dehardware multiproceso - dentro del ámbito de las ciencias de la computación - para que las rutinas de bajo nivel escritascuidadosamente accedan a la memoria a fin de minimizar los requisitos de ancho de banda y contención. También serequiere altos conocimientos en informática para aprovechar las representaciones de animaciones 3D en la actualidad.Por lo tanto, es en esta interfaz entre la física computacional y la informática pura donde esta tesis pretende hacercontribuciones prácticas y fundamentales.Los objetivos específicos y las contribuciones de la tesis son los siguientes:Realizar simulaciones PDE no lineales con el método pseudo-espectral lo más rápido posible, disponible a través deun Kernel JIT personalizado: Desarrollar un código multihilo personalizado de bajo nivel optimizado para la GPU alque se pueda acceder como Kernel JIT de alto nivel basado en Numba, que utilice técnicas numéricas y de computaciónque se asignan directamente al hardware de CPU / GPU, específicamente para el problema de resolver PDE con los métodos pseudo-espectrales split-step .Desarrollar métodos que aceleren el cálculo para casos de NLSE que causan inestabilidades. Para esto se exploraránalgoritmos numéricos que combinan el método pseudo-espectral con el método de malla adaptable. Se hará especialhincapié en el aspecto informático de dividir el problema de manera eficiente.Realizar nuevas visualizaciones para ondas cuánticas: desarrollar un conjunto de métodos novedosos para lavisualización científica en la propagación de ondas mecánicas cuánticas, simuladas numéricamente con técnicas deanimación en 3D. Se debe desarrollar una herramienta software que sea una extensión de un editor en 3D, que permitainteractuar a través de fly-thrus con soluciones PDE simuladas y renderizadas, a través del motor 3D.Este trabajo también impactará directamente los resultados de un proyecto recientemente aceptado ́Ondas no linealesy materia oscura emergente ́.