德國研究人員開發新計算方法 加速世界最強 X 射線激光器實驗至 50 倍

德國研究人員開發了一種新型計算方法，該方法有望顯著加快全球最強大 X 射線激光器的實驗速度，並可能推進核聚變能源的研究。這一方法由德累斯頓-羅斯多夫赫爾莫茨中心（HZDR）的科學家創建，據報導可以加速用於分析歐洲 XFEL（X 射線自由電子激光）X 射線散射實驗的複雜計算機模擬。根據研究團隊的説法，該方法使得這些模擬的運行速度提高了最多 50 倍，同時保持關鍵的物理細節。

這一成就將促進核聚變研究和實驗室天體物理學的重大進展。

HZDR 輻射物理研究所高能密度部門負責人託比亞斯·多恩海姆（Tobias Dornheim）博士強調了這一方法的重要性。他表示：「如果我們希望擁有核聚變發電廠，就必須瞭解在這樣極端物質狀態下究竟發生了什麼。現在，我們的新方法使得全面且精確地分析這些實驗的數據集成為可能。」科學家們使用如歐洲 XFEL 等設施來研究類似於恆星和巨型行星內部的極端温度和壓力下的物質。

這些條件也可以在實驗室中通過激光聚變實驗重現。

新型計算方法顯著提高 X 射線散射實驗的效率

為了更好地理解在這些極端條件下發生的事情，研究人員使用 X 射線散射技術。他們將強烈的 X 射線束射向樣本，並分析束的散射情況，以推斷如密度和温度等屬性。然而，解釋這些實驗需要大量的計算機模擬，這在計算上極為昂貴。多恩海姆指出：「我們模擬系統的各種參數，然後查看哪一組合與實驗觀察結果相符。」在高温情況下，科學家必須考慮許多量子力學狀態，並且還需處理可能扭曲結果的數值假象。

為瞭解釋他們的實驗，他們必須計算大量的温度和密度組合（參數掃描），這需要大量的計算時間。

為瞭解決這個問題，HZDR 團隊建立了一種能夠識別模擬信號中哪些部分包含真實物理信息的方法，並對比哪些僅僅是數值噪音。據報導，該方法依賴於將信息轉換到虛時間，這是一個與温度密切相關的量子力學概念。HZDR 的研究人員贊多斯·莫爾達別科夫（Zhandos Moldabekov）博士表示，該方法保留了信號的物理結構。他指出：「在此基礎上，我們結合了一個可靠的收斂測試與一個過濾程序，去除人工振鈴而不扭曲物理信息。

在我們的測試中，模擬的運行速度提高了 50 倍。」莫爾達別科夫補充説，這意味著科學家將能夠進行更多的模擬，並更準確地分析實驗數據。

該方法將成為未來 X 射線實驗的標準工具

該方法預計將在歐洲 XFEL 的實驗中發揮重要作用，特別是在 HIBEF 聯盟內部。此外，它還可能通過幫助研究人員重現行星內部的極端壓力和温度來推進實驗室天體物理學。更重要的是，它還能更快速和準確地計算材料的特性，如電導率和輻射吸收率。莫爾達別科夫在一份新聞聲明中總結道：「我們的方法應該能夠發展成為解釋現代 X 射線實驗的標準工具。在未來，它可能在探索極端物質狀態方面發揮核心作用。」

該研究已發表在《npj Computational Materials》期刊上。