À la recherche du transport optimal
Date:
Mis à jour le 07/11/2024
À première vue, l’image ci-dessus ressemble à un feu d’artifices, mais en réalité, c’est une carte. Elle représente le chemin parcouru par les galaxies dans le cosmos depuis 13,8 milliards d’années. Cette cartographie d’un genre nouveau, l’un des projets de recherche phare de l’équipe ParMA, va permettre aux astrophysiciens de mieux comprendre la formation de l’univers. Elle est le produit d’une simulation numérique rendue possible par une série d’avancées en mathématiques et en algorithmique.
“Nous sommes une équipe de mathématiques appliquées basée sur le transport optimal. Nous avons une approche très physique qui s’efforce de minimiser des déplacements ou de minimiser des énergies, résume Thomas Gallouët, responsable de ParMA.
Parmi ses membres, l’équipe ParMA compte le mathématicien Yann Brenier. Le théorème qui porte son nom a apporté une contribution majeure au transport optimal. “Yann possède une grande culture scientifique en mathématiques, mais aussi en physique. Il a pu créer des ponts entre ces disciplines témoigne Bruno Lévy chercheur en informatique et membre de ParMA. Il s’est rendu compte que le transport optimal se comportait comme ce l’on appelle en physique les « fluides incompressibles ». » C’est intéressant à deux titres. Premièrement, du point de vue mathématique : en convoquant des outils de la physique, on peut trouver des propriétés, révéler des théorèmes, découvrir de la structure et résoudre numériquement le problème. Deuxièmement, cela met en évidence un lien entre le transport optimal et la physique.
Cette contribution fondamentale fut complétée en 2012 par Quentin Mérigot, dont les travaux permettent d’effectuer les calculs plus rapidement “Il a montré que pour certaines configurations, quand le paysage-destination est un ensemble de points (et non un paysage continu), on pouvait avoir un algorithme de calcul beaucoup plus efficace que tout ce qui existait avant ». Quentin dispose, avec ses co-auteurs Jun Kitagawa et Boris Thibert, d’une preuve mathématique. Cela s’avère très intéressant pour la physique, et notamment pour la cosmologie. A l’échelle où travaille l’équipe, ces points sont les galaxies dispersées dans l’univers.
Image
Verbatim
Si on va deux fois plus vite en mathématiques, deux fois plus vite en géométrie, deux fois plus vite en informatique, on va huit fois plus vite au total. Cela nous permet de résoudre des problèmes de transport optimal de très grande taille et de les appliquer pour de vrai à des problèmes de physique théorique.
Auteur
Poste
Chercheur au sein de l’équipe ParMA
Un des défis de l’équipe porte sur le passage à l’échelle. “Les premiers solveurs de Quentin fonctionnaient pour 10 000 ou 100 000 points, indique Thomas Gallouët. Bruno est passé à la 3D et a poussé le curseur jusqu’à 100 millions de points. Maintenant, nous voudrions aller au milliard de points.”
Au sein de l’équipe ParMA, les scientifiques combinent les approches mathématiques et informatiques pour passer à l’échelle. A l'origine, c’est l'analyse mathématique du problème par Yann, puis celle de Quentin, qui ont permis d’aller beaucoup plus vite. Après, pour programmer cela dans un ordinateur, ils ont exploité des considérations géométriques.
Reste ensuite à optimiser toute la machinerie informatique. “Organiser les calculs parallèles, comprendre le fonctionnement bas niveau, etc. On a poussé le curseur au maximum sur toutes ces dimensions répond Bruno Lévy. Et sur toutes ces dimensions, à chaque fois que l’on gagne un facteur multiplicatif, il est multiplicatif par rapport aux autres dimensions. Si on va deux fois plus vite en mathématiques, deux fois plus vite en géométrie, deux fois plus vite en informatique, on va huit fois plus vite au total. Cela nous permet de résoudre des problèmes de transport optimal de très grande taille et de les appliquer pour de vrai à des problèmes de physique théorique, ce dont nous sommes très fiers !”
Les équations et les schémas numériques élaborés dans ParMA peuvent concerner beaucoup de domaines de recherche.
Image
Verbatim
Ce sont parfois les mêmes calculs que nous utilisons dans des contextes complètement différents. Notre collègue Luca Nenna étudie des problèmes de chimie quantique avec des approches novatrices. Sylvain Faure et Bertrand Maury, eux, s’intéressent, entre autres, à la mécanique des fluides pour effectuer de la modélisation de mouvements de foules.
Auteur
Poste
Chercheur et Responsable de l’équipe ParMA
“On pourrait se demander pourquoi des thèmes aussi différents se retrouvent dans la même équipe, souligne Bruno Lévy. Cela vient du lien très profond entre le transport optimal et la physique. Cela fait écho au principe de moindre action qui permet de décrire énormément de phénomènes en physique. Cela va des fluides jusqu’à la physique quantique en passant par la relativité générale. En touchant autant de domaines mathématiques, on arrive à dire des choses pertinentes dans beaucoup d’autres disciplines.”
“Ces optimisations permettent des calculs plus puissants, mais elles restent réservées à des gens maîtrisant très bien le code, conclue Thomas Gallouët. Nous souhaiterions parvenir à les diffuser vers un plus large public. Nous voudrions faire en sorte que quelqu’un qui ne soit pas mathématicien puisse les prendre en main et les appliquer à son domaine. Par exemple, dans l’idéal, que des lycéens avec leur professeur de physique puissent les installer eux-mêmes sur leur ordinateur pour effectuer leur propre reconstruction de l’univers.”