Jak zjistit vlastnosti materiálu ještě dříve, než ho vůbec vyrobíme? Teoretičtí materiáloví fyzici ho mohou nejprve „poskládat“ v počítači atom po atomu a pomocí kvantově-mechanických výpočtů předpovědět, jak se bude chovat. S rostoucí složitostí materiálů ale rostou i nároky na výpočetní výkon – a možnosti klasických počítačů mají své hranice. Martin Friák z Ústavu fyziky materiálů AV ČR dlouhodobě využívá superpočítače IT4Innovations a další služby e-INFRA CZ. Nyní do svého výzkumu zapojuje také kvantový počítač VLQ a jeho výsledky porovnává s výpočty na klasických superpočítačích Karolina a Barbora. Co už dnes dokážeme o materiálech zjistit, aniž bychom je vyrobili? A může spojení superpočítačů, kvantových technologií a umělé inteligence otevřít cestu k materiálům, které dnes ještě neumíme navrhnout?
Vaše práce se pohybuje na pomezí materiálové fyziky a výpočetních metod. Zkoumáte vlastnosti materiálů až na atomární úrovni – jejich stabilitu, magnetické vlastnosti nebo poruchy ve struktuře. Co se o materiálech na této úrovni snažíte zjistit a k čemu nám takové poznání může být?
Cílem našeho výzkumu je vyvinout nové materiály s lepšími vlastnostmi. Víme, že většina procesů probíhajících v materiálech je úzce provázaná s ději na atomární úrovni, a proto se na ni zaměřujeme. Nejprve zkoumáme vztahy mezi strukturou a vlastnostmi stávajících materiálů. Až jim dostatečně porozumíme, přemýšlíme, co změnit, abychom materiál vylepšili. Většinou jde o změnu chemického složení, například přidání nové přísady nebo jejich kombinace.
Vlastnosti nového materiálu nejprve spočítáme a ověříme, zda změna vedla ke zlepšení. Pokud ne, zkusíme jiné složení. Když vybereme nejlepšího kandidáta, materiál se experimentálně připraví a jeho vlastnosti se proměří – a většinou potvrdí naše předpovědi. Tento koncept se nazývá teorií vedený vývoj materiálů. Na superpočítačích IT4Innovations v rámci e-INFRA CZ můžeme současně počítat desítky různých chemických složení. Vývoj je tak mnohem rychlejší a levnější než dříve, kdy bylo nutné desítky variant připravovat a měřit jako experimentální vzorky.
Velkou roli přitom hrají kvantově-mechanické výpočty. Co všechno dokážete o materiálu zjistit pomocí počítačových simulací, aniž byste ho museli fyzicky vyrobit a otestovat? Dokážete uvést konkrétní příklad, kdy výpočet předpověděl vlastnost materiálu, kterou se následně podařilo experimentálně potvrdit?
Když výše zmiňuji, že experiment často potvrdí výpočtem předpovězenou hodnotu, je třeba zdůraznit, že toto nastane, jen pokud máme pro výpočty materiálů tu správnou teorii. Naší nejlepší teorií je kvantová mechanika. Ta popisuje chování materiálů spolehlivě, ale výpočty jsou velmi náročné a potřebujeme superpočítače, jako jsou ty v IT4I. Neumíme spočítat vše, ale velmi dobře umíme spočítat například magnetické vlastnosti, nebo některé mechanické a strukturní vlastnosti. Jaké jsou vzdálenost atomů v krystalické mříži, což určuje objem a ovlivňuje hustotu, nebo jaké má materiál elastické vlastnosti, to jsme schopni předpovědět s odchylkou v řádu procent, což už je výborné.
Můžete na konkrétním výpočtu popsat cestu od výzkumné otázky až k výsledku? Co všechno se odehrává od chvíle, kdy výpočet zadáte, přes samotný výpočet a práci s daty až po jejich vyhodnocení?
Příprava výpočtu je vlastně „kancelářská práce“, editace textových vstupních souborů a podobně. Spouští se pak přes internet, opět z Vašeho počítače, a následně se čeká, hodiny až den, než se uvolní superpočítačové kapacity, aby mohl výpočet proběhnout. Následně výpočet probíhá, většinou několik dnů až týden, kdy třeba zpracováváme výsledky jiných výpočtů nebo studujeme literaturu, a pak přijde na řadu kontrola výsledků, často jejich dodatečné zpracování a vizualizace. Posledním krokem je pak přemýšlení o tom, co výsledky znamenají a jaké další výpočty spustit. To je ta vědecky nejnáročnější část. Řešení vědecké úlohy tímto způsobem trvá měsíce, někdy i rok, pak se o výsledcích píše odborný článek.
Služby e-INFRA CZ využíváte už řadu let. S výpočty souvisí také přenos a ukládání dat. Jaké další služby e-INFRA CZ při svém výzkumu využíváte a jak se jednotlivé části infrastruktury doplňují?
Ano, jsem nadšeným uživatelem e-INFRA CZ, konkrétně IT4I, už od svého návratu z mého vědeckého pobytu v Německu v roce 2013, tedy 13 let. Vzhledem k tomu, že IT4I oslavilo nedávno 15 let existence, nebyl jsem sice mezi prvními, ale přidal jsem se velmi brzo, hned, jak to šlo. Moje následná vědecká kariéra, jako teoretika-výpočtáře, by asi nebyla bez IT4I vůbec možná. Jednotlivé části e-INFRA CZ se doplňují výborně – výsledky výpočtů se z IT4I přesunou do dlouhodobých úložišť, která máme k dispozici.
S rostoucí složitostí simulací roste i množství dat, která při nich vznikají. Je dnes ve Vašem oboru větší výzvou samotný výpočet nebo také ukládání, přenos a další zpracování výsledků?
V mém konkrétním oboru, výpočetní materiálové vědě, je to tak, že výpočty generují řádově jen několik terabyte dat ročně, a na dlouhodobé ukládání z nich po promazání zůstanou maximálně desítky gigabytů ročně, takže hlavní výzvou je pro nás výpočetní výkon. Ale vím o jiných oblastech výpočtů, kde se zachází s opravdu „big data“ a práce s nimi se pak stává zcela zásadní.
Ovlivňuje dostupný výpočetní výkon i to, jaké výzkumné otázky si můžete klást? Jsou dnes problémy, do kterých byste se bez podobného zázemí (služby e-INFRA CZ) vůbec nepouštěli?
Naprosto. Pokud chcete posunout hranice poznání, často jste ve výzkumu omezeni tím, jaké výpočetní kapacity máte. Výpočty, které zvládne Váš notebook, nepovedou k výsledkům a publikacím z „první světové ligy“. Hranice poznání většinou posouvají výpočty, na které potřebujete superpočítač, jako jsou ty, ke kterým máme přístup v rámci e-INFRA CZ. Velmi si vážím toho, jak vynikající superpočítačovou infrastrukturu v České republice máme a hlavně, že na ní máme možnost počítat zdarma. To není v zahraničí vůbec běžné.
S kvantovými počítači pracujete už několik let a dnes máte zkušenost také s prvním a historicky nejnovějším kvantovým počítačem VLQ v České republice. V čem se práce s kvantovým počítačem liší od práce s klasickým superpočítačem a co je naopak spojuje?
Kvantové počítače jsou přelom. Jedná se o zcela odlišnou výpočetní technologii, takže na úrovni výpočetních algoritmů a zpracování dat jsou kvantové počítače naprosto odlišné od klasických. Ale na uživatelské úrovni probíhá jejich programování pomocí standardních programovacích jazyků, jako je např. Python. Navíc je třeba zdůraznit, že současné i budoucí využití kvantových počítačů bude v synergickém „tandemu“ s počítačem klasickým, kdy silné stránky jedné technologie řeší slabé stránky té druhé. Výpočetně pak společně poskytnou zcela novou kvalitu i kvantitu.
Jak dostupnost výpočetní infrastruktury mění samotný způsob, jakým dnes vědec pracuje? Je pro vás výpočetní kapacita už stejně základním výzkumným nástrojem jako laboratoř?
Ano, to je přesné. Výpočetní materiálová věda, ale i např. kvantová chemie, jsou dnes etablované obory, kdy získáváme vědecké poznatky pomocí výpočtů. Jedná se o výsledek souběhu tří faktorů v posledních desetiletích: rozvoj počítačů (tedy hardwaru), vývoj nových teorií a konečně vývoj implementací těchto teorií, tedy softwaru. Výpočty jsou dnes standardní alternativa k experimentu, ale nejlepších výsledků se dosahuje, pokud si teorie a experiment nekonkurují, ale naopak se doplňují. Jejich synergie pak může být velmi silná.
Ve svém aktuálním projektu využíváte kvantový počítač VLQ a výsledky porovnáváte s výpočty na superpočítačích Karolina a Barbora NG. Co vám toto srovnání umožňuje zjistit a proč je podle vás důležité kombinovat klasické a kvantové výpočty?
Přes všechen ten obrovský potenciál, který kvantové počítače do budoucna mají, není jejich technologie momentálně ještě zcela odladěná, takže vykazují znatelnou míru chybovosti a šumu. Výpočty na kvantovém VLQ-ovi v IT4I provádíme teprve několik měsíců, takže naším prvním úkolem je zjistit, do jaké míry nám šum může zkreslit výsledky. Šum najdeme jako rozdíl mezi výsledky z klasického superpočítače a kvantového počítače u úloh, jejichž řešení známe. Až budeme schopni vzít vliv šumu v potaz, nebo šum dokonce zcela eliminujeme, přejdeme na úlohy, které jsou mimo možnosti klasických počítačů. Pak nás čekají první vylepšené materiály navržené s pomocí kvantového počítače.
Před několika lety jste mluvil o „hybridní materiálové výpočetní vědě“, která propojí klasické a kvantové počítače s umělou inteligencí. Jak blízko jsme podle Vás dnes této vizi? A co nám ještě chybí, abychom dokázali navrhovat materiály, na které dnes klasické výpočty nestačí?
Ta vize se právě naplňuje. Kvantové počítače se ve světě většinou umisťují do výpočetních center původně vybudované pro klasickými superpočítače a výpočty probíhají na hybridních systémech kombinujících obě výpočetní technologie. Navíc se přidávají nástroje umělé inteligence. Naše IT4I v rámci e-INFRA CZ je přesně takovým příkladem, kdy je vše „pod jednou střechou“. Na nové materiály si ale budeme muset ještě nějaký rok počkat, protože jak zmiňuji výše, není technologie kvantových počítačů ještě zcela odladěná. Ale na řešení problémů se intenzívně pracuje, takže teď hlavně potřebujeme studenty a studentky a vědce a vědkyně, kteří by to s kvantovými počítači uměli a co nejlépe je využili. Budu moc rád, pokud to bude někdo ze čtenářů tohoto rozhovoru.
ČLÁNKY DO MAILU