由勞倫斯伯克利國家實驗室和CEA Saclay研究人員開發的一種新三維細胞內粒子(PIC)模擬工具，使激光/等離子體耦合機制的前沿模擬成為可能，這些機制以前是等離子體研究中使用標準PIC代碼所無法實現的。更詳細地瞭解這些機制對於開發超緊湊粒子加速器和光源至關重要
這些加速器和光源可以更有效、更經濟地解決醫學、工業和基礎科學領域的長期挑戰。在激光等離子體實驗中，如伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心和CEA saclaye(法國原子能委員會下屬的法國國際研究機構)實驗中，等離子體內部的電場非常大。
與現有加速器技術相比，等離子體可以在更短的距離內將粒子束加速到高能。這些激光等離子體加速器(LPAs)的長期目標是有朝一日為高能研究建造對撞機，但許多衍生品已經被開發出來。例如，LPAs可以迅速將大量能量沉積到固體材料中，形成緻密等離子體，並使其承受極端的溫度和壓力。它們還具有驅動自由電子激光器的潛力，這種激光器產生的光脈衝僅持續阿秒。這種極短的脈衝可以使研究人員在極短時間尺度內觀察分子、原子甚至亞原子粒子之間的相互作用。超級計算機模擬對這項研究越來越重要，伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心(NERSC)已經成為這項研究的重要資源。
- 大規模模擬表明，強激光能量對稠密等離子體的隨機加熱是由混沌引起。這張圖片顯示了從PIC模擬中獲得高密度等離子體的電子分佈相空間(位置/動量)快照，說明了導致物理系統中出現混沌的所謂“拉伸和摺疊”機制。圖片：G. Blaclard, CEA Saclay
PIC模擬為研究人員提供了在極短時間和極短時間尺度下難以獲得的物理觀測數據，如粒子軌道和輻射場。PIC模擬在理解、建模和指導高強度物理實驗方面發揮了重要作用。但是，由於PIC編碼缺乏足夠的計算精度來模擬超高強度下的激光-物質相互作用，阻礙了這種相互作用產生的新型粒子和光源發展。這一挑戰促使伯克利實驗室/CEA Saclay團隊開發了他們新的模擬工具，稱為Warp+PXR，這是NERSC百億級科學應用程序(NESAP)第一輪啟動的工作。該代碼結合了廣泛使用的三維PIC代碼翹曲與伯克利實驗室和CEA Saclay共同開發的高性能庫PICSAR。
它還利用了伯克利實驗室和CEA Saclay聯合開發的一種新型大規模並行偽光譜求解器，與通常用於等離子體研究的求解器相比，這種新型偽光譜求解器大大提高了模擬的準確性。伯克利實驗室資深物理學家Jean-Luc Vay是實驗室應用物理和加速器技術部門加速器建模項目的負責人說：正如團隊在之前的研究中所顯示，這種新FFT光譜求解器比有限差分時域(FDTD)求解器能夠實現更高的精度，因此我們能夠達到一些標準FDTD求解器無法達到的參數空間。這種新型光譜解算器也是下一代PIC算法的核心，該算法具有自適應網格細化，Vay和同事正在開發新的Warp-X代碼，作為美國能源部百億次計算項目的一部分。
二維和三維模擬都很關鍵
Vay也是發表在《物理評論X》(Physical Review X)上論文的作者之一，該論文首次全面研究了使用Warp+PXR的激光等離子體耦合機制。這項研究結合了在CEA Saclay的UHI100激光設備上進行的最先進的實驗測量，以及在NERSC的Cori超級計算機上運行的最先進二維和三維模擬，以及在Argonne國家實驗室的Argonne領導計算設施上運行的Mira和Theta系統。這些模擬使團隊能夠更好地理解超強激光和它所產生高密度等離子體之間的耦合機制，為如何優化超緊湊粒子和光源提供了新的見解。
Warp+PXR的基準測試表明，該代碼可擴展到Cori上的40萬核和Mira上的80萬核，並可將解決超高強度物理實驗相關問題的時間提高三個數量級。CEA Saclay高強度物理小組的科學家、論文合著者亨利·文森提說：我們不能一直用二維模擬重複或再現實驗中發生的事情，需要三維模擬。Vincenti領導了這項新研究的理論/模擬工作，並且是Vay團隊中伯克利實驗室的Marie Curie博士後研究員，在那裡他第一次開始研究新的代碼和求解器。3d模擬對於將新代碼帶來的準確性與實驗進行對比，也非常重要。在《物理評論X》(Physical Review X)上發表的論文中：
CEA Saclay的研究人員在CEA的UHI100設備上使用了一束高功率(100TW)飛秒激光束，聚焦在二氧化硅靶上，創建了一個高密度等離子體。此外，在實驗過程中，採用了Lanex閃爍屏和紫外分光計兩種診斷方法來研究激光與等離子體的相互作用。在實驗進行過程中，當研究時間和長度尺度時，診斷工具帶來了額外挑戰，這再次使得模擬對研究人員的發現至關重要。研究科學家法比安·奎爾(Fabien Quere)說：通常在這類實驗中，無法獲得所涉及的時間和長度尺度，尤其是因為在實驗中，目標上有一個非常強的激光場，所以不能把任何診斷放在離目標很近的地方。
在這類實驗中，觀察是距離目標很遠的物體發射出來，它們實際上是實時發生，而物理學是在微米、亞微米和亞飛秒尺度上的時間，所以我們需要模擬來解釋實驗中發生了什麼。Vincenti說：在這項研究中使用的第一性原理模擬使我們能夠了解激光場與固體目標相互作用的複雜動力學，在單個粒子軌道的細節水平上，這使我們能夠更好地理解實驗中發生了什麼。由於Vay和合作者引入了範式轉換，這些使用超高精度光譜FFT求解器的非常大的模擬成為可能。
在發表於《計算物理》(Journal of Computational Physics)上的一項研究中，他們發現，在求解與時間相關的麥克斯韋方程時，標準的FFT並行化方法(是全局的，需要處理器之間跨整個模擬域進行通信)可以被局部FFT的域分解所取代，通信僅限於相鄰處理器。除了在大量計算機節點上實現更有利的強伸縮性和弱伸縮性之外，新方法還更節能，因為它減少了通信。使用標準的FFT算法，需要在整個機器上進行通信，但新的光譜FFT求解器可以節省計算機時間和能源，這對於正在推出的新型超級計算架構來說是一件大事。
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