يبحث IHEP عن فرص كمية لتسريع العلوم الأساسية - عالم الفيزياء

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-5.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-5.jpg" data-caption="محاكاة للتراكم تعد مجموعة الحوسبة عالية الأداء IHEP واحدة من العديد من موارد الحوسبة التي تدعم منصة محاكاة الكم QuIHEP. (بإذن من: IHEP)”>

يعد معهد فيزياء الطاقة العالية (IHEP)، وهو جزء من الأكاديمية الصينية للعلوم، أكبر مختبر للعلوم الأساسية في الصين. وهو يستضيف برنامجًا بحثيًا متعدد التخصصات يغطي فيزياء الجسيمات الأولية والفيزياء الفلكية، فضلاً عن تخطيط وتصميم وبناء مشاريع مسرعات واسعة النطاق - بما في ذلك مصدر النيوترونات الصينية، الذي تم إطلاقه في عام 2018، ومصدر الفوتون عالي الطاقة، المقرر إطلاقه في عام 2025. على الانترنت في عام XNUMX

في حين أن الاستثمار في البنية التحتية التجريبية لـ IHEP قد تزايد بشكل كبير على مدى السنوات العشرين الماضية، فإن تطوير وتطبيق تقنيات التعلم الآلي الكمي والحوسبة الكمومية يستعد الآن لتحقيق نتائج مماثلة بعيدة المدى ضمن برنامج أبحاث IHEP.   

العلم الكبير، والحلول الكمومية

فيزياء الطاقة العالية هي المكان الذي يلتقي فيه "العلم الكبير" مع "البيانات الضخمة". إن اكتشاف جسيمات جديدة ودراسة القوانين الأساسية للطبيعة هي مساعي تنتج كميات هائلة من البيانات. مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN يولد بيتابايت (10¹⁵ بايت) من البيانات أثناء التشغيل التجريبي - وكلها يجب معالجتها وتحليلها بمساعدة الحوسبة الشبكية، وهي بنية تحتية موزعة تعمل على ربط موارد الحوسبة في جميع أنحاء العالم.

وبهذه الطريقة، تتيح شبكة الحوسبة العالمية للمصادم LHC لمجتمع يضم آلاف الفيزيائيين إمكانية الوصول في الوقت الفعلي تقريبًا إلى بيانات LHC. كانت هذه الشبكة الحاسوبية المتطورة أساسية للاكتشاف التاريخي لبوزون هيغز في CERN في عام 2012، بالإضافة إلى عدد لا يحصى من التطورات الأخرى لمواصلة التحقيق في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

ومع ذلك، هناك نقطة انعطاف أخرى تلوح في الأفق، عندما يتعلق الأمر بتخزين وتحليل واستخراج البيانات الضخمة في فيزياء الطاقة العالية. سيؤدي مصادم الهادرونات الكبير عالي الإضاءة (HL-LHC)، والذي من المتوقع أن يدخل الخدمة في عام 2029، إلى خلق "أزمة حاسوبية" مثل اللمعان المتكامل للآلة، بما يتناسب مع عدد تصادمات الجسيمات التي تحدث في فترة زمنية معينة ، ستزيد بعامل 10 مقابل قيمة تصميم LHC - وكذلك تدفقات البيانات الناتجة عن تجارب HL-LHC.

CERN QTI: تسخير العلوم الكبيرة لتسريع الابتكار الكمي

على المدى القريب، ستكون هناك حاجة إلى "خط أساس حاسوبي" ذو مظهر جديد للتعامل مع الطلب المتزايد على البيانات في HL-LHC - وهو خط أساس سيتطلب الاستغلال على نطاق واسع لوحدات معالجة الرسومات للمحاكاة المتوازية على نطاق واسع، وتسجيل البيانات وإعادة معالجتها بالإضافة إلى التطبيقات الكلاسيكية للتعلم الآلي. كما أنشأت CERN، من جانبها، خارطة طريق متوسطة وطويلة المدى تجمع بين مجتمعات فيزياء الطاقة العالية وتكنولوجيا الكم من خلال مبادرة CERN لتكنولوجيا الكم (QTI) - وهو اعتراف بوجود قفزة أخرى في أداء الحوسبة. مع تطبيق الحوسبة الكمومية وتقنيات الشبكات الكمومية.

العودة إلى أساسيات الكم

تستغل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، كما يوحي اسمها، المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم. على غرار أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، التي تعتمد على البتات الثنائية التي تأخذ قيمة إما 0 أو 1، تستغل أجهزة الكمبيوتر الكمومية البتات الثنائية الكمومية، ولكن كتراكب من الحالات 0 و1. هذا التراكب، إلى جانب التشابك الكمي (الارتباطات بين البتات الكمومية)، من حيث المبدأ يمكّن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من إجراء بعض أنواع الحسابات بشكل أسرع بكثير من الآلات الكلاسيكية - على سبيل المثال، عمليات المحاكاة الكمومية المطبقة في مجالات مختلفة من كيمياء الكم وحركية التفاعل الجزيئي.

في حين أن الفرص المتاحة للعلوم والاقتصاد الأوسع تبدو مقنعة، فإن أحد المشاكل الهندسية الكبيرة المرتبطة بالحواسيب الكمومية في المراحل المبكرة هو تعرضها للضوضاء البيئية. يتم إزعاج البتات الكمومية بسهولة شديدة، على سبيل المثال، من خلال تفاعلاتها مع المجال المغناطيسي للأرض أو المجالات الكهرومغناطيسية الضالة من الهواتف المحمولة وشبكات WiFi. التفاعلات مع الأشعة الكونية يمكن أن تكون أيضًا مشكلة، كما هو الحال مع التداخل بين الكيوبتات المجاورة.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-2.jpg" data-caption="الفيزياء الكبيرة يعمل علماء IHEP على "إعادة اكتشاف" الجسيم الغريب Zc(3900) باستخدام التعلم الآلي الكمي. تم اكتشاف الجسيم دون الذري - أول حالة رباعي كوارك يتم ملاحظتها تجريبيًا - في عام 2013 بواسطة كاشف BESIII (كما هو موضح هنا) في مصادم الإلكترون-بوزيترون في بكين التابع لـ IHEP. (مجاملة: IHEP)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -العلوم الأساسية-الفيزياء-world-2.jpg”>

الحل المثالي - استراتيجية تسمى تصحيح الأخطاء - يتضمن تخزين نفس المعلومات عبر عدة كيوبتات، بحيث يتم اكتشاف الأخطاء وتصحيحها عندما يتأثر واحد أو أكثر من الكيوبتات بالضوضاء. المشكلة في ما يسمى بأجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء هي احتياجها لعدد كبير من الكيوبتات (في حدود الملايين) - وهو أمر من المستحيل تنفيذه في البنى الكمومية صغيرة الحجم للجيل الحالي.

وبدلاً من ذلك، يمكن لمصممي أجهزة الكمبيوتر الكمية المتوسطة الحجم (NISQ) الحالية إما قبول تأثيرات الضوضاء كما هي أو استعادة الأخطاء جزئيًا خوارزميًا - أي دون زيادة عدد الكيوبتات - في عملية تعرف باسم تخفيف الأخطاء. ومن المعروف أن العديد من الخوارزميات توفر المرونة ضد الضوضاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية صغيرة الحجم، بحيث يمكن ملاحظة "الميزة الكمومية" في تطبيقات محددة في فيزياء الطاقة العالية على الرغم من القيود الكامنة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية من الجيل الحالي.

يركز أحد خطوط البحث هذه في IHEP على المحاكاة الكمومية، وتطبيق الأفكار التي طرحها في الأصل ريتشارد فاينمان حول استخدام الأجهزة الكمومية لمحاكاة التطور الزمني للأنظمة الكمومية - على سبيل المثال، في الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية (QCD). للسياق، يصف النموذج القياسي جميع التفاعلات الأساسية بين الجسيمات الأولية باستثناء قوة الجاذبية - أي ربط القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة والقوية معًا. بهذه الطريقة، يشتمل النموذج على مجموعتين مما يسمى بنظريات مجال القياس الكمي: نموذج جلاشو-واينبرج-سلام (الذي يوفر وصفًا موحدًا للقوى الكهرومغناطيسية والضعيفة) ونموذج QCD (للقوى القوية).

بشكل عام، لا يمكن حل نظريات مجال القياس الكمي تحليليًا، حيث أن معظم التنبؤات للتجارب مستمدة من طرق تقريب التحسين المستمر (المعروفة أيضًا باسم الاضطراب). في الوقت الحالي، يعمل العلماء العاملون في IHEP على محاكاة حقول القياس بشكل مباشر باستخدام دوائر كمومية في ظل ظروف مبسطة (على سبيل المثال، في أبعاد الزمكان المخفضة أو باستخدام مجموعات محدودة أو طرق جبرية أخرى). تتوافق هذه الأساليب مع التكرارات الحالية لأجهزة الكمبيوتر NISQ وتمثل العمل التأسيسي لتنفيذ أكثر اكتمالاً لشبكة QCD في المستقبل القريب.

التعلم الآلي: الطريقة الكمومية

يتضمن موضوع البحث الكمي الآخر في IHEP التعلم الآلي الكمي، والذي يمكن تجميعه في أربعة مناهج متميزة: CC، CQ، QC، QQ (مع C - كلاسيكي، Q - الكم). في كل حالة، يتوافق الحرف الأول مع نوع البيانات والأخير يتوافق مع نوع الكمبيوتر الذي يقوم بتشغيل الخوارزمية. على سبيل المثال، يستخدم مخطط CC البيانات الكلاسيكية وأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بشكل كامل، على الرغم من تشغيل خوارزميات مستوحاة من الكم.

ومع ذلك، فإن حالة الاستخدام الواعدة التي يتم متابعتها في IHEP تتضمن فئة CQ للتعلم الآلي، حيث يتم تعيين نوع البيانات الكلاسيكي وتدريبه على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الدافع هنا هو أنه من خلال استغلال أساسيات ميكانيكا الكم ــ مساحة هيلبرت الكبيرة، والتراكب والتشابك ــ ستتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من التعلم بشكل أكثر فعالية من مجموعات البيانات واسعة النطاق لتحسين منهجيات التعلم الآلي الناتجة.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-3.jpg" data-caption="تتبع الجسيمات يعتقد علماء IHEP أن الحوسبة الكمومية ستساعد في تبسيط طرق إعادة بناء المسار في مسرعات الجسيمات من الجيل التالي مثل HL-LHC. أعلاه: هيديكي أوكاوا (يمين)، وجياهينج زو (واقفًا)، وشياوزونج هوانج (يسارًا) يقومون بتقييم مسارات الجسيمات المعاد بناؤها والتي تم إنشاؤها باستخدام حاسوب Origin Quantum Wuyuan، الذي وُصِف بأنه "أول حاسوب كمي عملي في الصين". (مجاملة: IHEP)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -العلوم الأساسية-الفيزياء-العالم-3.jpg”>

لفهم إمكانية تحقيق الميزة الكمية، يعمل علماء IHEP حاليًا على "إعادة اكتشاف" الجسيم الغريب Z_c(3900) باستخدام التعلم الآلي الكمي. من حيث القصة الخلفية: Z_c(3900) عبارة عن جسيم دون ذري غريب يتكون من الكواركات (الوحدات الأساسية للبروتونات والنيوترونات) ويُعتقد أنها أول حالة رباعي كوارك يتم ملاحظتها تجريبيًا - وهي ملاحظة أدت في هذه العملية إلى تعميق فهمنا لـ QCD. تم اكتشاف الجسيم في عام 2013 بواسطة كاشف مطياف بكين (BESIII) في مصادم بكين للإلكترون والبوزيترون (BEPCII)، مع مراقبة مستقلة من خلال تجربة بيل في مختبر فيزياء الجسيمات KEK الياباني.

ابتكارات اختبار QUANT-NET: إعادة تصور الشبكة الكمومية

كجزء من دراسة البحث والتطوير هذه، قام فريق بقيادة جياهنغ زو من IHEP، ويضم زملاء من جامعة شاندونغ وجامعة جينان، بنشر ما يسمى بخوارزمية آلة ناقل الدعم الكمي (متغير كمي لخوارزمية كلاسيكية) للتدريب على طول مع إشارات محاكاة Z_c(3900) وأحداث مختارة عشوائيًا من بيانات BESIII الحقيقية كخلفيات.

باستخدام نهج التعلم الآلي الكمي، يكون الأداء تنافسيًا مقارنة بأنظمة التعلم الآلي الكلاسيكية - على الرغم من وجود مجموعة بيانات تدريب أصغر وميزات بيانات أقل. التحقيقات مستمرة لإثبات حساسية الإشارة المحسنة باستخدام الحوسبة الكمومية، وهو العمل الذي يمكن أن يشير في النهاية إلى الطريق لاكتشاف جسيمات غريبة جديدة في التجارب المستقبلية.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/