관점: 양자 컴퓨팅과 원자력 산업: 관점

2023년 8월 29일

Jacobs ANSWERS 기술 이사인 Paul Smith 교수는 연구 프로젝트에서 양자 컴퓨팅이 원자력, 의료 및 우주 산업의 방사선 시설 설계 및 운영에 상당한 이점을 제공할 수 있는 잠재력을 강조했다고 설명했습니다.

방사선 수송 모델링은 핵물리학의 기본이며 원자로 설계 및 작동, 연료 제조, 저장, 수송, 해체 및 지층 처분까지 모든 과정에서 중요한 역할을 합니다. 원자력 발전과 해체를 넘어 핵의학, 우주 산업, 식품 방사선 조사 및 유정 벌목 분야에서도 중요한 역할을 합니다.

몬테카를로 코드는 시뮬레이션을 생성하고 방정식을 풀기 위한 참조 방법으로, 방사선 전송으로 알려진 전자기 방사선의 흡수, 방출 및 산란에 의해 물리적 에너지가 전달되는 방식을 이해합니다.

코드는 방사선 입자(예: 광자, 중성자 또는 하전 입자)가 다양한 물질을 통과하고 다양한 구조와 상호 작용할 때 그 움직임과 상호 작용을 모델링하고 이해하도록 설계되었습니다.

방사선 수송 방정식을 푸는 데는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 결정론적 접근 방식에서는 수학 방정식을 풀기 위해 전통적인 수치 방법이 사용됩니다. 여기에는 여러 가지 근사치가 포함됩니다. 대안적인 몬테카를로 접근법은 근사치가 덜한 개별 입자의 경로를 시뮬레이션하는 것과 관련이 있지만 일부 응용 프로그램의 경우 엄청나게 느립니다. 이러한 경우 더 근사하지만 더 빨리 도달할 수 있는 결정론적 솔루션의 정확성을 테스트하기 위해 충실도가 높은 솔루션을 생성하는 데 사용됩니다.

Jacobs의 일부인 ANSWERS 소프트웨어 서비스는 몬테카를로 방법을 가속화하는 데 있어 양자 컴퓨팅의 잠재적 이점을 탐색하는 프로젝트를 주도했습니다.

새로운 애플리케이션에 대한 연구를 지원하는 영국 국립 양자 컴퓨팅 센터(National Quantum Computing Centre)의 SparQ 프로그램의 지원을 받는 이 프로젝트는 기존 디지털 컴퓨팅 대신 양자 컴퓨팅을 활용하여 몬테카를로 방법의 런타임을 개선하여 경쟁력을 높이는 이점을 조사하는 것을 목표로 했습니다.

ANSWERS는 방사선 차폐, 선량 평가, 핵 임계 안전성 및 원자로 물리학 분석에 전 세계적으로 널리 사용되는 MCBEND 및 MONK 3D Monte Carlo 코드를 제공하고 지원합니다. 예를 들어, ANSWERS 소프트웨어는 방사성 물질 운반 플라스크의 설계 및 안전 케이스 생산을 지원하는 데 사용됩니다.

여러 프로세스는 난수 생성, 핵 데이터베이스 검색, 광선 추적 및 몬테카를로 프로세스 자체를 포함하여 몬테카를로 방사선 전송 계산을 수행하는 계산 비용에 크게 기여합니다. 양자 알고리즘은 이러한 각 프로세스에 대해 사용 가능하거나 개발 중입니다. 양자 난수 생성은 진정한 무작위 양자 프로세스를 기반으로 진정한 난수를 생성한다는 분명한 이점이 있는 반면, 전통적인 계산 방법은 계산에 편향을 도입할 수 있는 미묘한 상관관계가 적용될 수 있는 의사 난수 또는 준난수만 생성할 수 있습니다. 결과.

디지털 컴퓨터는 0 또는 1인 데이터 비트로 작동하는 반면, 양자 컴퓨터는 0과 1 상태가 중첩될 수 있는 2가지 상태 양자 기계 시스템인 큐비트로 작동합니다. 예를 들어, 빛은 수평 또는 수직으로 편광될 수 있습니다(편광 렌즈가 장착된 안경을 통해 LED TV를 보고 머리를 다른 각도로 기울여 보십시오). 빛의 개별 광자가 수평에 대해 45도로 편광되면 수평 상태와 수직 상태가 중첩된 것으로 생각할 수 있습니다.

이를 통해 양자 컴퓨터는 단일 작업으로 많은 상태를 처리할 수 있어 처리 능력이 기하급수적으로 증가하고 디지털 컴퓨터에서는 불가능한 복잡한 문제 해결을 달성할 수 있습니다. 실제로 많은 양자 알고리즘은 기존 디지털 컴퓨터에 비해 2차 이점을 제공합니다. 예를 들어 양자 알고리즘은 기존 알고리즘을 사용하면 백만 번의 작업이 필요한 작업을 1000번의 작업으로 달성할 수 있습니다.