[論文レビュー] BQCD - Berlin quantum chromodynamics program

Yoshifumi Nakamura, H. Stüben|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 28

ひとこと要約

BQCD は、QCDSF コラボレーションによって開発された、動的ウィルソンフェルミオンを用いた格子量子色力学（QCD）の自由でオープンソースのハイブリッドモンテカルロシミュレーションプログラムです。2 フレーバーおよび 2+1 フレーバー QCD のシミュレーションを、さまざまなフェルミオン作用素と改良されたゲージ作用素を用いて実行でき、フェルミオン行列式の更新を効率的に行うための有理数的ハイブリッドモンテカルロ（Rational Hybrid Monte Carlo）アルゴリズムを採用しており、理論粒子物理学における格子 QCD 計算を顕著に前進させています。

ABSTRACT

We publish BQCD as free software under the GNU General Public License. BQCD is a Hybrid Monte-Carlo program that simulates lattice QCD with dynamical Wilson fermions. It is one of the main production programs of the QCDSF collaboration. The program can simulate 2 and 2 + 1 fermion flavours with pure, clover improved, and stout smeared fat link Wilson fermions as well as standard plaquette, and an improved (rectangle) gauge action. The single flavour is simulated with the Rational Hybrid Monte-Carlo algorithm.

研究の動機と目的

• 動的クォークを伴う強い相互作用の物理を研究するための堅牢で生産用途に耐える格子 QCD シミュレーションツールの開発。
• 単一のフレームワーク内で、標準的、クローバー改良型、スティンプスムージング済みウィルソンフェルミオンといった複数のフェルミオン形式をサポートすること。
• ハドロン行列要素の精度を向上させるために、標準的プラケットおよび改良された長方形ゲージ作用素を用いたシミュレーションを可能にすること。
• 広い格子 QCD コミュニティのための自由利用、ポータブル性、保守可能性を確保するため、GNU 一般公衆利用許諾契約書（GPL）の下でリリースされるソフトウェアソリューションを提供すること。
• 有理数的ハイブリッドモンテカルロアルゴリズムによる効率的な動的フェルミオン更新を可能にすることで、ハドロン質量および行列要素の高精度計算を促進すること。

提案手法

• プログラムは、動的フェルミオンを伴うゲージ配置のサンプリングにハイブリッドモンテカルロ（HMC）アルゴリズムを実装し、詳細釣合せと正しい平衡分布を保証する。
• 単一フレーバーのシミュレーションにおいてフェルミオン行列式を効率的に処理するため、有理数的ハイブリッドモンテカルロ（RHMC）アルゴリズムを採用し、計算コストを低減する。
• フェルミオン作用素には、標準的ウィルソン、クローバー改良型、およびフラットリンクを用いたスティンプスムージング済みの形式を含め、離散化誤差を低減し、チャイラル対称性を向上させる。
• ゲージ作用素には、標準的プラケットおよび改良された長方形（シマンジック）作用素を含め、連続極限における精度を向上させる。
• ソフトウェアは C++ で記述されており、高性能コンピューティングシステムにおけるパフォーマンスとポータビリティを考慮して設計されている。
• GNU 一般公衆利用許諾契約書の下でリリースされており、自由なアクセスとコミュニティ主導の開発を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドモンテカルロ法を用いた動的フェルミオンを伴う格子 QCD シミュレーションを、どのように効率的に実装できるか？
• RQ2 標準的、クローバー改良型、スティンプスムージング済みといった異なるフェルミオン作用素が、ハドロン観測量の精度および収束性に与える影響は何か？
• RQ3 改良されたゲージ作用素（例：長方形作用素）は、標準的プラケット作用素と比較して、QCD シミュレーションにおける離散化効果をどの程度低減できるか？
• RQ4 有理数的ハイブリッドモンテカルロアルゴリズムは、単一フレーバーの動的フェルミオンシミュレーションにおいて、計算オーバーヘッドをどの程度低減できるか？
• RQ5 生産用途に耐える格子 QCD ソフトウェアを、パフォーマンスと自由利用の両立を図って設計するには、どのようなアプローチが有効か？

主な発見

• BQCD は、動的ウィルソンフェルミオンを用いた 2 フレーバーおよび 2+1 フレーバー格子 QCD の生産用途に耐えるシミュレーションフレームワークを効果的に実装した。
• 有理数的ハイブリッドモンテカルロアルゴリズムの使用により、単一フレーバーのシミュレーションにおいてフェルミオン行列式の更新が安定的かつ効率的に行えるようになった。
• クローバー改良型およびスティンプスムージング済みのフェルミオン形式を含む、複数のフェルミオン作用素がサポートされており、格子アーティファクトの低減が可能である。
• 長方形作用素のような改良されたゲージ作用素が利用可能であり、連続極限におけるカットオフ効果の制御がより良くできる。
• ソフトウェアは GNU 一般公衆利用許諾契約書の下で自由でオープンソースとしてリリースされており、広範なコミュニティ利用と拡張性が保証されている。
• BQCD は QCDSF コラボレーションによって、格子 QCD の高精度計算に実際に使用されており、生産環境における信頼性とパフォーマンスの高さが実証されている。