Ponto de vista: Computação quântica e indústria nuclear: Perspectivas

29 de agosto de 2023

Um projeto de pesquisa destacou o potencial da computação quântica para oferecer benefícios significativos para o projeto e operação de instalações de radiação nas indústrias nuclear, médica e espacial, como explica o professor Paul Smith, diretor técnico da Jacobs ANSWERS.

A modelagem do transporte de radiação é fundamental para a física nuclear e desempenha um papel em tudo, desde o projeto e operação de reatores, fabricação de combustível, armazenamento, transporte, descomissionamento e descarte geológico. Para além da energia nuclear e do desmantelamento, desempenha um papel vital na medicina nuclear, na indústria espacial, na irradiação de alimentos e na exploração de poços de petróleo.

Os códigos de Monte Carlo são o método de referência para a criação de simulações e resolução de equações para compreender a forma como a energia física é transferida pela absorção, emissão e espalhamento da radiação eletromagnética - conhecida como transporte de radiação.

Os códigos são projetados para modelar e compreender o movimento e as interações das partículas de radiação (como fótons, nêutrons ou partículas carregadas) à medida que viajam através de diferentes materiais e interagem com várias estruturas.

Existem duas abordagens principais para resolver as equações do transporte de radiação. Na abordagem determinística são utilizados métodos numéricos tradicionais para resolver as equações matemáticas - isto envolve uma série de aproximações. A abordagem alternativa de Monte Carlo envolve a simulação dos caminhos de partículas individuais, o que envolve menos aproximação, mas para algumas aplicações é proibitivamente lento. Nestes casos é utilizado para produzir soluções de alta fidelidade para testar a precisão de soluções determinísticas que embora mais aproximadas, podem ser alcançadas mais rapidamente.

O ANSWERS Software Service, parte da Jacobs, liderou um projeto para explorar os benefícios potenciais da computação quântica na aceleração dos métodos de Monte Carlo.

Apoiado pelo programa SparQ do Centro Nacional de Computação Quântica do Reino Unido, que apoia a investigação de novas aplicações, este projeto teve como objetivo investigar as vantagens de aproveitar a computação quântica em vez da computação digital convencional para melhorar o tempo de execução dos métodos de Monte Carlo, tornando-os mais competitivos.

ANSWERS fornece e suporta os códigos MCBEND e MONK 3D Monte Carlo que são amplamente utilizados em todo o mundo para proteção contra radiação, avaliações de dose, segurança de criticidade nuclear e análise física de reatores. Por exemplo, o software ANSWERS é usado para apoiar o projeto e a produção de casos de segurança para frascos de transporte de materiais radioativos.

Vários processos contribuem significativamente para o custo computacional da realização de cálculos de transporte de radiação de Monte Carlo, incluindo geração de números aleatórios, pesquisas em bancos de dados nucleares, rastreamento de raios e o próprio processo de Monte Carlo. Algoritmos quânticos estão disponíveis ou em desenvolvimento para cada um desses processos. A geração quântica de números aleatórios tem a clara vantagem de gerar números verdadeiramente aleatórios, com base em processos quânticos verdadeiramente aleatórios, enquanto os métodos computacionais tradicionais só são capazes de gerar números pseudo-aleatórios ou números quase aleatórios que podem estar sujeitos a correlações sutis que podem introduzir viés no cálculo resultados.

Enquanto os computadores digitais trabalham com bits de dados que são 0 ou 1, os computadores quânticos trabalham com qubits – sistemas mecânicos quânticos de dois estados que podem estar numa superposição dos estados 0 e 1. Por exemplo, a luz pode ser polarizada horizontal ou verticalmente (tente olhar para uma televisão LED através de óculos com lentes polarizadas e inclinar a cabeça em ângulos diferentes). Se um fóton de luz individual for polarizado a 45 graus em relação à horizontal, pode-se pensar que está em uma superposição dos estados horizontal e vertical.

Isso permite que os computadores quânticos processem muitos estados em uma única operação, aumentando exponencialmente seu poder de processamento e alcançando soluções complexas de problemas que são impossíveis em computadores digitais. Na prática, muitos algoritmos quânticos oferecem uma vantagem quadrática sobre os computadores digitais tradicionais - por exemplo, um algoritmo quântico pode atingir em 1.000 operações o que levaria um milhão de operações usando um algoritmo tradicional.