Exkursion zum Forschungszentrum Jülich

Physik-Studierende der Universität Siegen haben im Rahmen der Vorlesung „Einführung in Gittereichfeldtheorie“ am 26. Juni 2023 das Jülich Super Computing Centre (JSC) besucht.

Die erstmalig von Dr. Oliver Witzel angebotene Veranstaltung diskutiert wie Quantenfeldtheorien zur Beschreibung von Elementarteilchen numerisch auf Supercomputern simuliert werden. Insbesondere die Theorie der starken Wechselwirkung, die sogenannte Quantenchromodynamik (QCD), welche die Bindung von Protonen und Neutronen zu Atomkernen, sowie auf einer fundamentaleren Ebene die Bindung von Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen beschreibt, entzieht sich einer analytischen Behandlung. Die Grundidee zur numerischen Lösung der QCD besteht in der Diskretisierung des dreidimensionalen Raumes und der Zeit – man erhält dadurch ein vierdimensionales Raum-Zeit-Gitter. Betrachtet man ein Gitter mit je 48 Raum- und 96 Zeitpunkten, so erhält man bereits mehr als 10 Millionen (48^3 * 96) Raum-Zeit-Punkte, zu deren Simulationen (im Fachjargon: Markov-Ketten Monte Carlo Simulationen) Höchstleistungsrechner benötigt werden.

Das JSC am Forschungszentrum Jülich ist eines von drei Höchstleistungsrechenzentren in Deutschland und von besonderer Bedeutung für Berechnungen der Gitter QCD. Im Rahmen des Besuchs konnten die Studierenden den aktuellen Supercomputer „Juwels“ besichtigen, der aus einem „Cluster“ Modul mit CPU basierter Rechenleistung und dem „Booster“ Modul auf GPU-Basis besteht. Die Unterschiede der Rechenarchitekturen hat Prof. Dr. Stefan Krieg (JSC, Universität Bonn) erläutert, sowie einen Ausblick auf die Anforderungen für die kommende Generation der Exa-Scale (10^18 Rechenoperationen pro Sekunde) Computer gegeben. Neben der Rechenleistung sind auch Fragen des Stromverbrauchs und der Kühlung relevant. Anschließend hat die Gruppe JUNIQ besucht, ein Quantenannealer mit 5000 Qubits und das erste derartige System in Europa. Dr. Fengping Jin und Kunal Vyas haben eine kurze Einführung in die Eigenschaften und Vorzüge JUNIQs gegeben. Quantenannealer sind Quantencomputer, die für Berechnungen auf Basis des Hamiltonian des Ising Modells optimiert sind.

Ein weiteres Highlight des Besuchs am Forschungszentrum war eine Führung entlang des 1200 m^2 großen Reinraum der Helmholtz Nano Facility (HNF). HNF Direktor Dr. Wolfgang Albrecht erläuterte, wie hier nano und atomare Strukturen hergestellt werden, die unter anderem im Bereich des Quantencomputing Anwendung finden. Diese Arbeiten erfordern sowohl eine besondere Reinheit der Umgebung und der Luft, als auch das Einflüsse durch Schwingungen und Vibrationen minimiert werden.

Zum Abschluss gab es noch eine Besichtigung des COSY (Cooler Synchroton) am Institut für Kernphysik durch Dr. Alexander Nass. Hier wird Grundlagenforschung mit polarisierten Protonen- oder Deuteriumstrahlen durchgeführt, welche Rückschlüsse auf Effekte der QCD ermöglichen.