德國研究團隊開發全新計算方法，讓全球最強X射線雷射模擬速度提升50倍

德國研究團隊突破計算瓶頸，模擬速度飆升50倍

德國亥姆霍茲德勒斯登—羅森多夫研究中心（Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf，簡稱 HZDR）的科學家開發出一種全新計算方法，據報能將用於分析歐洲X射線自由電子雷射（European XFEL）散射實驗的複雜電腦模擬速度提升高達 50 倍，同時完整保留關鍵物理細節。這項成果預計將大幅推進核融合研究與實驗室天文物理學的發展。

HZDR 輻射物理研究所高能量密度部門主任 Tobias Dornheim 博士強調了這項突破的重要性：「如果我們要建造核融合發電廠，就必須真正理解在這種極端物質狀態下究竟發生了什麼。現在，我們的新方法讓全面且精確地分析這類實驗數據成為可能。」

極端條件下的X射線散射挑戰

科學家利用位於漢堡附近的 European XFEL 等設施，研究類似恆星和巨型行星內部的極端高溫高壓狀態下的物質行為。同樣的條件也可以在實驗室中透過雷射核融合實驗重現。

為了深入了解這些極端條件下發生的現象，研究人員採用X射線散射技術——將高強度X射線束射穿樣品，再分析光束的散射方式，從而推算出密度和溫度等物理特性。

然而，解讀這些實驗結果需要大量的電腦模擬運算，計算成本極為高昂。Dornheim 指出：「我們用各種參數來模擬系統，然後觀察哪個組合與實驗觀測結果相符。」在高溫環境下，科學家必須考慮大量的量子力學狀態，還要處理可能扭曲結果的數值偽影。為了解讀實驗數據，他們必須計算無數組溫度和密度的組合（參數掃描），這需要大量運算時間。「而我們的運算資源並非無限。」Dornheim 補充道。

突破性計算工具誕生

為了解決這個問題，HZDR 團隊建構了一種能夠辨識模擬訊號中哪些部分包含真實物理資訊、哪些僅是數值雜訊的方法。據悉，該方法依賴一種轉換至「虛數時間」（imaginary time）的數學變換——這是一個與溫度密切相關的量子力學概念。

提出此方法構想的 HZDR 研究員 Zhandos Moldabekov 博士表示，該方法能保留訊號的物理結構：「在此基礎上，我們結合了一種可靠的收斂測試與一種過濾程序，可以在不扭曲物理資訊的情況下去除人工振鈴效應。」

「在我們的測試中，模擬速度提升了 50 倍。」Moldabekov 解釋，這意味著科學家將能執行更多模擬，並更精確地分析實驗數據。該方法預計將在 European XFEL 的實驗中扮演重要角色，尤其是在 HIBEF 聯盟的相關研究中。

此外，這項方法還能透過協助研究人員重現行星內部的極端壓力與溫度條件，推動實驗室天文物理學的發展。更重要的是，它能讓研究人員更快速、更精確地計算電導率和輻射吸收等材料特性。

Moldabekov 在新聞稿中總結道：「我們的方法有望發展成為解讀現代X射線實驗的標準工具。未來，它可能在探索極端物質狀態的研究中扮演核心角色。」

該研究已發表於學術期刊《npj Computational Materials》。

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