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数学与计算

数学与计算

(由CERN提供)
取自2019年3月号 物理世界,标题为“未来的微粒”。物理研究所的会员可以享受完整的期刊 通过 物理世界 应用程式.

费德里科·卡米纳蒂(Federico Carminati),CERN openlab的计算机物理学家与Tushna Commissariat讨论了高能物理和计算领域的职业机会

在我们庆祝万维网成立30周年之际,计算机科学先驱蒂姆·伯纳斯·李(Tim Berners-Lee)成为了关注的焦点,他在日内瓦附近的CERN粒子物理实验室开发了这一概念。他最初是在牛津大学学习物理学的,但是伯纳斯·李并不是唯一一个在计算机领域取得丰硕成果的物理学家。只是问 费德里科·卡米纳蒂(Federico Carminati),目前是的首席创新官 CERN OpenLab。这是一个公共-私有网络,将CERN与其他研究机构以及领先的信息和通信技术公司(例如Google,IBM和Siemens)联系在一起,以研究机器学习和量子计算在高能物理中的潜在应用。

自幼对自然科学产生了浓厚的兴趣-他向父母求助于显微镜,并想研究动物-卡米纳蒂对数学的兴趣在高中毕业时达到了顶峰,这要归功于他的数学能力。他于1981年毕业于意大利帕维亚大学,并获得了物理学硕士学位。奇怪的是,当时没有意大利大学提供物理学博士学位。 “因此,我决定立即开始工作。我的第一份工作是在洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory),我在那里从事高能物理学家的μ子衰变实验。” Carminati说。

在合同终止且未续约之前,他在Los Alamos工作了一年。 “我开始写许多求职信,在我妻子的鼓励下,我写信给获得诺贝尔奖的物理学家丁格。老实说,这是一个很长的镜头,我认为我不会收到任何答案,”他回忆道。幸运的是,这位杰出的物理学家发现Carminati的CV很有趣,并写信问他是否在计算或硬件方面“更好”。 “我说我的计算能力更好。因此,他让我与加州理工学院取得了联系,”卡米纳蒂第二年在加州理工学院任职,之后被CERN聘为计算机职位。

Federico Carminati at CERN

卡米纳蒂(Carminati)自1985年以来一直在欧洲核子研究组织(CERN)工作,在那里他担任过各种工作,其中第一项工作是在欧洲核子研究组织计划库中,该库处理组织的数据。该库实际上是从为CERN实验的物理学家编写的程序的集合开始的。 “但是,它已成为高能物理计算的全球标准,”卡米纳蒂说。 “我的任务是协调这段非常大的代码的开发并进行分发。这是在Web出现之前,因此进行分发就意味着要运送大容量的数据带。”

后来,Carminati负责了该库的一个特定部分-GEANT检测器模拟程序。这里的想法是对未来希望在实际探测器上运行的超高能量实验进行详细而精确的模拟。卡米纳蒂(Carminati)一直致力于这一工作,直到1994年。“然后,我决定加入由欧洲核子研究中心主任和诺贝尔奖获得者卡洛·鲁比亚(Carlo Rubbia)组成的小团队,他们决定着手设计一种新型反应堆,该反应堆将核动力反应堆和高能加速器的技术。”在接下来的四年中,卡米纳蒂(Carminati)作为这支小团队的一员,即使该团队的原型从未出现过,也证明了这很有趣。

从1998年到2012年,Carminati从事ALICE实验,这是大型强子对撞机(LHC)的四个主要探测器之一。他的角色包括计算协调员,这意味着他负责设计,开发和协调该实验的计算基础架构。他说:“我也非常参与CERN计算网格的开发。”

艰巨的要求

欧洲核子研究组织(CERN)的全球LHC计算网格始于2002年,是一个开创性的概念,它使全球各地的物理学家能够利用LHC运行时每天生成的数PB数据。这是让研究人员在2012年遏制希格斯玻色子的关键。尽管如今已经建立了这种全球性的计算机中心合作关系-将8000多名物理学家连接到遍布45个国家/地区的190个中心的数千台计算机,这是一项艰巨的任务。

“我们被要求在1990年代后期将LHC的计算要求写在纸上,结果发现它们如此强大,以至于我们几乎被指控破坏了该项目,”卡米纳蒂大声说道,他说尽管所需的计算能力远远超出了为CERN提供的资金。在欧洲实验室建立和托管如此大型的计算中心同样不切实际。

这个想法的出现是为了利用世界各地已经参与LHC的不同实验室和大学的所有计算设施,并将它们集成到单个计算服务中。 “如今,每个人都在谈论云计算,但当时只不过是科幻小说而已,”卡米纳蒂说。 “有趣的是,资助机构同意给予我们这种计算能力。但是他们希望通过帮助在所有不同国家建立卓越的计算中心来进行本地投资。”他说,并解释说,资助者希望这些中心可以雇用本地人并在本地开发信息技术方面的知识。 “这是一次奇妙的冒险,因为我去了南非,泰国和亚美尼亚等地,以帮助他们建立计算机中心。”

但是,这并非一帆风顺,因为卡米纳蒂遇到了“大量的谈判,并且花了很多辛苦的工作才能将这一概念卖给当地政客”。卡米纳蒂说,特别重要的一点是与韩国ALICE计算机中心进行谈判。 “我必须与该国科学和教育部以及当地科学家合作。我也为印度做过同样的事情。”

Carminati的角色还涉及帮助用户在建立计算能力后利用其计算能力。 “在1998年至2012年间,我曾担任ALICE实验计算基础架构的协调员,如果您问我的话,时间太长了。在LHC开启之前,它既有趣又富有创造力。机器启动时,它很累。 LHC运行时,我们处于“生产模式”,” Carminati说。 “您必须准备处理大量数据。这是一项非常复杂的组织任务,您必须协调数百个分布在世界各地的开发人员,并在非常短的时间内为中央存储库提供软件。在时间与质量之间,您必须做出一些非常艰难的选择,而整个过程却是艰难而艰辛的。”

Carminati在2013–2017年期间回到了GEANT,致力于提高新计算机体系结构上的模拟程序的性能,并开发了用于在CERN上模拟粒子传输的新一代代码。在此期间,他还设法从法国南特大学获得博士学位。

开门营业

Carminati现在基于CERN openlab工作,他解释说计算技术目前发展如此之快,以至于仅在市场上对其进行评估就“不够好”。 CERN OpenLab是欧洲实验室为数不多的明确进行计算机研究的单位之一。

CERN的目标是与高能物理用户和商业用户接触,以突出内部开发的技术,同时还与其他机构合作开展项目。例如,CERN openlab目前正在与Unosat(联合国处理卫星图像和分析的技术平台)合作,该平台自2002年以来一直在CERN托管。他们的联合项目之一是评估全球大量难民的流动,了解在任何给定的难民营中有多少人,这通常很难到达甚至是危险。评估人口密度的一种方法是计算一个营地的帐篷数。 “我们是机器学习和人工智能方面的专家,”卡米纳蒂说,“因此,我们正在与Unosat合作开发程序,以自动计算卫星图像中的帐篷。”

另一项计划中的合作是与韩国首尔国立大学的Bundang医院合作,Carminati称其拥有“多年以来的出色的健康信息系统和病历”。欧洲核子研究组织(CERN)openlab试图寻找与医院开展项目的资源,以“利用机器学习来了解我们是否可以在实际诊断中将人工智能可以对患者记录做出的分类进行关联”。这样做的目的是找出机器学习系统是否可以学习对自身进行诊断,或者选出可能具有“双重诊断”的人(即那些总是伴有两种疾病的人),从而创造出一个案例。新的诊断类别。

Federico Carminati lecture at CERN

当谈到量子计算对高能物理未来的影响时,Carminati坚信CERN必须开始考虑今天的明天的计算技术。 “探索这一点非常重要,因为从现在起10年后,在计算时间上我们将短缺100倍。”另一个至关重要的问题是大型强子对撞机以及任何未来的对撞机获取的数据量,因为他们在寻找超越标准模型的物理场。 “我们现在正在寻找非常微妙的东西。关于希格斯人,我们说过我们正在大海捞针。现在的新游戏是,我们将制造一堆针,然后在其中寻找奇数针。”

这意味着粒子物理学家将获取并分类数量惊人的数据,然后以极高的精度对其进行处理,所有这些都将需要提高计算能力。 “我们可能会增加我们获取的数据量和检测器的质量。但是我们不能期望我们的计算预算会增加100倍。” Carminati说。 “我们将不得不寻找非常快速的计算的新来源,而量子计算将是一个强大的候选者。”

尽管他很清楚当今的量子计算机都没有达到这个水平,但他相信量子计算将会成熟,这在一定程度上要归功于行业的投资。 “无论何时发生这种情况,我认为我们都必须做好准备,尽我们最大可能利用它。我们将能够全面使用量子计算机-从模拟和检测器构造到数据分析和计算加速。现在就开始开发我们的程序和软件非常重要。”

卡米纳蒂指出,如果要实现量子革命,科学家将不得不完全重写他们的代码,因为他认为没有什么比通用量子计算机更重要了。 “我们是否可以使用与所使用的特定类型的计算无关的软件?我们将不得不开辟一个新的角度,因此这是我们研究的很大一部分。”去年11月,卡米纳蒂(Carminati)在欧洲核子研究组织(CERN)组织了有史以来第一次高能物理量子计算研讨会,以期在这些问题上取得领先。

在箱子外面

所有这些都意味着当今的物理专业毕业生在跨领域工作时将拥有各种各样的机会。卡米纳蒂说:“一位物理学家接受过训练,可以使用数学创造性地解决复杂的问题,并且需要很多思考。” “我们在欧洲核子研究中心培训了如此多的物理学家,有时看到他们离开会令人沮丧,但是我们不能让所有人都知道这一点。令我们感到安慰的是,我们为他们提供了一个技能组,它确实适用于许多其他研究领域以及整个行业。”

如今,全球都对机器学习和量子计算专家产生了渴望,从美国到印度和中国的国家都希望培训和发展这种专业知识。对于可能正在考虑这些领域之一的当今毕业生,Carminati的前景非常乐观。 “尝试进行研究时要尽可能多地获得建设性的乐趣,因为这是一项令人着迷的工作。”

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