KI simuliert den Urknall: Wie TU Wien Materie neu berechnet

Das Universum war kurz nach dem Urknall eine heiße, dichte Materien-Suppe, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma. Protonen und Neutronen sind in ihre kleinsten Bausteine aufgeschmolzen. Um zu verstehen, wie sich die Teilchen in diesem komplexen Zustand verhalten und gegenseitig beeinflussen, braucht es ebenso komplexe Berechnungen. „Will man die Materie im Kleinsten verstehen, sind Quantenfeldtheorien das Präziseste, was wir derzeit haben“, erklärt Dr. Andreas Ipp von der TU Wien dem KURIER. Dafür kann ein Raum in ein vierdimensionales Gitter aufgeteilt werden. Darin werden die Felder der Teilchen an Gitterpunkte festgelegt. So wird z. B. simuliert, wie sie sich in Raum und Zeit verhalten und was passiert, wenn sie kollidieren. Je mehr Punkte ein Gitter hat, desto genauer wird die Simulation – wie ein digitales Foto, das detailreicher wird, je mehr Pixel es besitzt. Das wird aber auch zum Problem. „Wenn ich ein sehr feines Gitter mit extrem vielen Gitterpunkten habe, braucht das viel Speicher und Rechenkapazität“, so Ipp.

KI wird trainiert

Ohne Supercomputer ist die Berechnung gar nicht möglich. Um die Rechenzeit zu reduzieren, nutzen Ipp und sein Team künstliche Intelligenz (KI). Ihnen ist so gelungen, auch mit groben Gittern präzise, hochauflösende Simulationen durchzuführen. Entscheidend dafür ist, mit immer gleichbleibenden Eigenschaften zu arbeiten, egal ob man ein kleines oder großes Gitter wählt. „Das Training dauert lange, Tage bis Wochen. Das muss man aber nur einmal machen. Die Anwendung dauert dann nur noch den Bruchteil davon“, erklärt David Müller, der ebenfalls an der Entwicklung beteiligt war. Mit ihrer KI-Methode war es möglich, mit einem kleinen Gitter von 10⁴ eine Präzision zu erreichen, für die sonst ein viel größeres Gitter von 64⁴ nötig wäre. „Ohne KI wäre man auf diesem groben Gitter weit von den korrekten Daten entfernt“, sagt Ipp.

Die Methode wird derzeit an bekannten Beispielen erprobt, etwa am Phasenübergang des Quark-Gluon-Plasmas. Danach könnte sie Berechnungen in der Teilchenphysik einen deutlichen Schub geben.