格点量子色动力学数据的虚部分布与信号改进

通过分析淬火近似下高统计量格点两点关联函数实部与虚部对规范场采样的分布,给出了一种可能的实、虚部分布间的定量关系,并通过计算实部与虚部的非平庸统计相关性对该关系加以验证.利用该实、虚部的统计相关性,格点关联函数的方差可以得到约40%的改进.这些结果为进一步理解格点计算中统计误差的物理来源以及发展信号改进方案提供了全新的思路.

格点量子色动力学组态产生和胶球测量的大规模并行及性能优化

格点量子色动力学(Lattice Quantum Chromo Dynamics,LQCD)是目前已知能系统研究夸克及胶子间低能强相互作用的非微扰计算方法.计算结果的统计和系统误差原则上都是可控的,并能逐步减少.基于格点QCD的基本原理,更大的格子体积意味着可以计算更大空间的物理过程,并且可以对空间进行更加精细的划分,从而得到更加精确的结果.因而大体系的格点计算对QCD理论研究有着重要意义,但对程序计算性能提出了更高要求.本文针对格点QCD组态生成和胶球测量的基本程序,进行了其大规模并行分析和性能优化的研究.基于格点QCD模拟采用的blocking和even-odd算法,我们设计了基于MPI和OpenMP的并行化算法,同时设计优化数据通信模块:针对复矩阵的矩阵乘等数值计算,提出了向量化的计算优化方法:针对组态文件输出瓶颈,提出了并行输出组态文件的实施方法.模拟程序分别在Intel KNL和“天河2号”超级计算机x86_64队列进行了测试分析,证实了相应的优化措施的有效性,并进行了相应的并行计算效率分析,最大测试规模达到了1728个节点(即41472 CPU核).

从格点量子色动力学应用看国产超算环境的基础软件

格点量子色动力学(LQCD)是用数值模拟方法研究基本粒子的重要科学领域,因其巨大的数据量和计算规模而成为国际上超级计算机的主要科研应用之一。随着国产新一代超级计算机的发展,LQCD的计算软件由于其传统编程模型的限制,面临着更新换代的关键节点。从格点量子色动力学的视角出发,分析大规模科学应用软件对底层基础软件的需求特点,面向国产超算平台的发展方向,提出适配于大规模高效异构计算和大数据处理的新编程模型,为国产超算环境的基础软件建议了一个有潜力的发展方向。

格点量子色动力学蒸馏算法中关联函数的计算优化

格点量子色动力学(格点QCD)是一种以量子色动力学为基础,被广泛应用于强相互作用相关计算的理论,作为一种可以给出精确可靠理论结果的研究方法,近年来随着计算机能力的提升,正在发挥着越来越重要的作用.蒸馏算法是格点QCD中计算强子关联函数的一种重要数值方法,可以提高所计算物理量的信噪比.但用它来构造关联函数时,同样面临着数据量大和数据维数多的问题,需要进一步提升计算效率.本文开发了一套利用蒸馏算法产生夸克双线性算符的关联函数的程序,利用MPI(message passing interface,消息传递接口,https://www.open-mpi.org),OpenMP(open multi-processing,共享存储并行)和SIMD(single instruction multiple data,单指令多数据流)多级别优化技术解决其中计算性能瓶颈问题.对程序进行了多方面的测试,结果表明本文的设计方案能够支持大规模的计算,在强扩展性测试下512个进程并行计算仍能达到70%左右的效率,大大提升了计算关联函数的能力.

格点量子色动力学与高精度原子光谱学

格点量子色动力学(Lattice Quantum Chromodynamics,QCD)作为目前已知的最系统地研究非微扰强相互作用的方法,在高能物理和核物理前沿起着不可或缺的作用.随着格点计算精度的提高和研究方法的突破,格点QCD的研究前沿大为拓展,一些新的交叉领域开始出现.其中一个重要的领域是原子光谱学.随着原子光谱学观测量精度的不断提高,核子结构相关的强相互作用效应需要被考虑,其中双光子交换导致的修正尤为重要,并且在近期受到理论和实验学界的广泛关注.本文简要介绍了格点QCD的方法和原子光谱学中的两个重要观测量:兰姆位移和超精细劈裂,以及双光子交换对它们产生的修正,进而展示格点QCD理论方法在这一领域的最新进展以及将来可能产生的重要影响.

QCD手征相结构的格点量子色动力学研究进展

强相互作用核物质在极端高温下的相结构一直是高能重离子碰撞领域的重要研究课题.由于相结构研究本身为长程、非微扰的物理,格点量子色动力学(Lattice QCD)是研究这一课题的重要方法.在这篇简要的综述中,我们首先给出强相互作用核物质相结构的研究背景,接着介绍有限温度格点量子色动力学和夸克质量平面下的哥伦比亚相图,再概述近期关于小夸克质量区间的哥伦比亚相图的研究进展——物理点时的相转变温度、2+1味及3味QCD在手征极限下的相变温度,之后重点讨论手征反常及其微观本质的格点QCD研究进展,最后给出总结.

带有2+1味道Wilson费米子的格点量子色动力学在有限温度、有限密度下的相变

利用格点规范理论研究了带有2+1味道费米子的量子色动力学在有限密度及温度下的相变问题,研究了去禁闭相变与化学势和裸质量参数之间的依赖关系,并利用有限体积效应分析以及MonteCarlo模拟的演化序列所反映出的特点对相变的类型做了确认,给出了相结构图.

带动力学夸克的格点量子色动力学中手征对称性自发破缺研究

量子色动力学最有挑战性的课题之一,是手征对称性自发破缺的研究.当Fermi子质量等于零时,如果手征凝聚不为零,就意味着系统存在手征对称性自发破缺.在格点规范理论传统的数值计算方法中,必须在多个裸夸克质量下做模拟研究,然后用一些拟合函数把数据外推到手征极限.用几率分布函数法,无需做任何外推,计算出零质量下带动力学夸克格点量子色动力学的手征凝聚.Staggered Fermi子的结果表明,此方法是一研究格点量子色动力学手征对称性自发破缺有效可行的方法.

利用格点量子色动力学研究手征平滑过渡温度和手征相变温度

回顾了最近关于手征平滑过渡温度和手征相变温度的研究结果。首先给出了在零重子化学势能下的手征平滑过渡温度为156.5(1.5)MeV,其次,给出了在非零重子化学势能下手征相转变曲线的二阶及四阶曲率分别为0.012(4)和0.000(4)。接着讨论了在格点QCD中第一次得到的量子色动力学的手征相变温度。在热力学极限、连续极限及手征极限下,我们得到手征相变温度为132_(-6)^(+3)MeV。

格点QCD基础求解器及其异构计算实现的性能优化

格点量子色动力学(格点QCD)是研究夸克、胶子等微观粒子间相互作用的重要理论和方法.通过将时空离散化为四维结构网格,并将量子色动力学的基本场量定义在网格上,让研究人员可以使用数值模拟方法,从第一性原理出发研究强子间相互作用和性质,但这个过程中的计算量极大,需要进行大规模并行计算.格点QCD计算的核心基础为格点QCD求解器,是程序运行主要的计算热点模块.本文研究在国产异构计算平台下格点QCD求解器的实现与优化,提出一套格点QCD求解器的设计实现,实现了BiCGSTAB求解器,显著降低了迭代次数;通过对奇偶预处理技术,降低了所求问题的计算规模;针对国产异构加速卡的特点,优化了Dslash模块的访存操作.实验测试表明,相比优化前的求解器获得了约30倍的加速比,为国产异构超算下格点QCD软件性能优化提供了有益的参考价值.

面向下一代对撞机的量子色动力学研究

作为描述强相互作用的基本理论,量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)对精确检验标准模型以及寻找新物理有着十分重要的意义.本文从对撞机物理出发,就其所涉及的QCD研究在近年来取得的相关进展,尤其是在固定阶计算与重求和技术、部分子分布函数及其计算等方面取得的进展,以及它们对于搜寻新物理、标准模型精确检验和强子内禀属性研究等领域的作用进行了简要的总结,并在此基础上对相关理论和方法在未来可能的应用以及与其他学科交叉的前景进行了展望.

强磁场下的格点QCD研究进展

本文综述了近期利用格点量子色动力学对强磁场下量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)性质的研究进展。首先介绍了在格点上如何引入磁场,重点阐述零温下QCD的手征性质、QCD相转变温度及反磁催化,以及强磁场下QCD相结构,最后给出总结。

胶球的格点QCD研究

胶球是强子物理的重要研究对象,也是我国北京谱仪(BESⅢ)实验寻找的重要物理目标。格点量子色动力学作为从第一性原理出发的研究强相互作用非微扰特性的方法,是研究胶球问题的重要理论工具。本工作介绍了近年来格点量子色动力学理论对胶球性质的一些研究进展,并讨论实验上发现的若干共振态作为胶球的可能性。另外,规范场拓扑荷密度在纯规范理论中可以作为内插场算符来研究赝标量胶球性质,但在具有u,d,s动力学海夸克组态上的拓扑荷密度算符的关联函数中,只观察到轻赝标量介子η和η’的贡献。这启示我们在具有动力学海夸克的情形下,需要构造多种形式的内插场算符来研究赝标量胶球。

高性能科学计算的特征分析及其实用方法研究

任何高性能科学计算(HPC)课题都是一项复杂的系统工程,其具体的应用效率要受到来自硬件和软件等许多因素,主要如并行算法、流水线技术、层次存储器技术和网络互联结构等的制约,诸因素既互相独立又互相关联。本文从一个典型的高性能科学计算——格点量子色动力学研究模型入手,在分析了HPC所涉硬软件存在的一些共性特征的基础上,总结出一些能够改善高性能科学计算应用效率的方法。通过对这些方法长期的应用实践和专门实验,证明它们是有效的。

Ising模型的并行计算

本文以Ising模型为例,介绍有关格点系统的Monte carlo数值模拟并行算法的设计和编程,并给出在本组建造的PC集群式高性能并行计算系统上的测量结果。本文的结果对格点量子色动力学的大规模数值模拟研究有一定的参考价值。

LQCD Dslash在神威·太湖之光上的研究分析与MPI实现

“神威·太湖之光”是我国全自主研发的千万核超级计算机,目前已有很多大型应用程序在此先进架构上进行了移植优化。然而,高能物理领域的格点量子色动力学(LQCD)数值模拟软件在神威平台上尚未进行过移植优化,这引起了科学工作者们的关注。针对LQCD在神威平台上的移植优化问题展开研究。首先,论述了国内外对LQCD在不同硬件架构上进行并行优化的发展历程。其次,通过对其热点模块Dslash的重构,实现了在神威平台上的成功移植。再次,针对申威26010芯片异构众核的架构和并行模式,实现了从核阵列异构并行、从核本地设备存储器(LDM)与主存之间的直接存储访问(DMA)通讯、主核之间的消息传递接口(MPI)通讯及全局归约等操作。最后,经过实验测试,单核组优化程序与16核组优化程序相比单主核程序分别获得了165倍和25倍的加速比,并发现了一些重要的性能瓶颈问题,为进一步优化提升整体效率奠定重要基础。同时,对国产超算平台的推广使用具有积极意义。

在格点上构造计算胶球质量的新途径(英文)

发展了一种为了计算胶球质量而构造格点算符的新途径 .基于所选用算符的连续极限与状态量子数JPC两者之间的联系 ,状态的自旋就可以在数值模拟中唯一和直接地被确定下来 .进而 ,这一途径可以被应用于计算任意自旋J的胶球质量 .在淬火近似下 ,给出在SU( 3 )纯规范场中 0 ++态和 2 ++态胶球质量的初步结果 ,它们分别是 1 754 ( 85) ( 86)MeV和 2 4 1 7( 56) ( 1 1 7)MeV .

基态八重态重子质量的手征描述

质量作为物质最基本的属性,其起源一直是物理学研究的根本问题之一。根据物质层次的划分,理解可见宇宙物质(能量)组成的关键在于理解核子(基态重子)的质量。现代粒子物理与原子核物理研究指出,基态重子质量的绝大部分来自强相互作用。然而,由于色禁闭现象,强相互作用的基本理论–量子色动力学–在低能区无法解析求解,导致很长一段时间里对基态重子质量的研究不得不借助于各种唯象模型。二十一世纪以来,随着计算机运算能力的发展和算法的持续改进,格点量子色动力学模拟取得了令人瞩目的成绩,使得人类从第一原理出发计算基态重子的质量,进而定量地理解质量的起源成为可能。另一方面,受到计算资源的限制,目前绝大部分格点量子色动力学模拟必须采用比物理值大的轻夸克质量、不足够大的盒子体积和不足够小的格点间距。因而,为了从格点量子色动力学模拟中提取感兴趣的观测量的物理值,必须对格点数据进行如下三种延拓:手征延拓将轻夸克质量延拓到物理值(即mq→mphys.q),有限体积修正将有限的四维空间延拓到无穷大(即V=L4→∞),连续性延拓将有限格点间距延拓到零(即a→0)。手征微扰理论为开展这些延拓提供了必要的理论基础。作为量子色动力学的低能有效理论,手征微扰理论原则上可以模型无关地描述强相互作用物理。但随着手征阶数的升高,仅仅依靠实验数据无法完全确定理论中未知的低能常数。高统计量的格点量子色动力学模拟数据的出现为解决这一难题提供了新的思路,从而使得基于高阶手征微扰理论的研究成为可能。本文将简要介绍当前基于协变重子手征微扰理论对基态八重态重子质量及格点量子色动力学模拟数据的研究。

多个含不同质量项的费米子矩阵求逆算法

在格点量子色动力学的模拟中,Rational Hybrid Monte Carlo (RHMC)算法是一种精确的,能应用到任意多个味道数的费米子的方法.它的思想是把费米子行列式展开为有理函数的形式.但该方法会带来很多彼此相差一个常对角矩阵的矩阵的求逆的计算,消耗大量的时间和计算资源,限制了RHMC算法的应用.本文利用移位多项式,针对共轭梯度法得到多个含有不同质量项的矩阵求逆的一种方法,该方法可以应用到RHMC算法中.

探秘正宇称粲介子的内部结构

2003年,标量粲-奇异介子D_(s0)^(*)(2317)和轴矢粲-奇异介子Ds1(2460)的发现拉开了含重夸克奇特强子态研究热潮的序幕.随后,又有实验报道了不含奇异夸克的标量和轴矢粲介子D0*(2300)和D1(2430).它们的发现带来了数个谜题,引发了大量理论和实验研究.近年来,随着有效场论和格点量子色动力学对相关系统的研究,以及LHCb实验对数个B介子三体衰变的精确测量,这些谜题已经在很大程度上得到了自然的解答;D_(s0)^(*)(2317)和Ds1(2460)的衰变宽度是确定这些粲介子内部结构的重要物理量,理论的定量预言正等待实验的验证.本文将概述对这些正宇称粲介子内部结构研究的进展.