Το IHEP αναζητά κβαντικές ευκαιρίες για να επιταχύνει τη θεμελιώδη επιστήμη - Physics World

<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="Προσομοίωση για συσσώρευση Το σύμπλεγμα υπολογιστών υψηλής απόδοσης IHEP είναι ένας από τους πολλούς υπολογιστικούς πόρους που υποστηρίζουν την πλατφόρμα κβαντικού προσομοιωτή QuIHEP. (Ευγενική παραχώρηση: IHEP)”>

Το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (IHEP), μέρος της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, είναι το μεγαλύτερο εργαστήριο βασικών επιστημών στην Κίνα. Φιλοξενεί ένα διεπιστημονικό ερευνητικό πρόγραμμα που εκτείνεται στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, την αστροφυσική καθώς και τον σχεδιασμό, το σχεδιασμό και την κατασκευή έργων επιταχυντών μεγάλης κλίμακας – συμπεριλαμβανομένης της Πηγής Νετρονίων της Κίνας Spallation, που ξεκίνησε το 2018 και της Πηγής Φωτονίων Υψηλής Ενέργειας, που πρόκειται να έρθει online το 2025.

Ενώ οι επενδύσεις στην πειραματική υποδομή του IHEP έχουν αυξηθεί δραματικά τα τελευταία 20 χρόνια, η ανάπτυξη και η εφαρμογή τεχνολογιών κβαντικής μηχανικής μάθησης και κβαντικών υπολογιστών είναι τώρα έτοιμη να αποφέρει παρόμοια εκτεταμένα αποτελέσματα στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος IHEP.   

Μεγάλη επιστήμη, κβαντικές λύσεις

Η φυσική υψηλής ενέργειας είναι όπου η «μεγάλη επιστήμη» συναντά τα «μεγάλα δεδομένα». Η ανακάλυψη νέων σωματιδίων και η διερεύνηση των θεμελιωδών νόμων της φύσης είναι προσπάθειες που παράγουν απίστευτους όγκους δεδομένων. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN παράγει petabyte (10¹⁵ bytes) δεδομένων κατά τη διάρκεια των πειραματικών εκτελεσμάτων - όλα πρέπει να υποβληθούν σε επεξεργασία και να αναλυθούν με τη βοήθεια του υπολογιστικού δικτύου, μιας κατανεμημένης υποδομής που δικτυώνει υπολογιστικούς πόρους παγκοσμίως.

Με αυτόν τον τρόπο, το Παγκόσμιο Πλέγμα Υπολογιστών LHC δίνει σε μια κοινότητα χιλιάδων φυσικών πρόσβαση σχεδόν σε πραγματικό χρόνο στα δεδομένα LHC. Αυτό το εξελιγμένο υπολογιστικό πλέγμα ήταν θεμελιώδες για την ανακάλυψη ορόσημο του μποζονίου Higgs στο CERN το 2012, καθώς και για αμέτρητες άλλες προόδους για την περαιτέρω διερεύνηση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής.

Ένα άλλο σημείο καμπής διαφαίνεται, ωστόσο, όταν πρόκειται για την αποθήκευση, την ανάλυση και την εξόρυξη μεγάλων δεδομένων στη φυσική υψηλής ενέργειας. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων Υψηλής Φωτεινότητας (HL-LHC), ο οποίος αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία το 2029, θα δημιουργήσει μια «υπολογιστική κρίση» ως ενσωματωμένη φωτεινότητα της μηχανής, ανάλογη με τον αριθμό των συγκρούσεων σωματιδίων που συμβαίνουν σε δεδομένο χρονικό διάστημα , θα αυξηθεί κατά ένα συντελεστή 10 σε σχέση με την τιμή σχεδιασμού του LHC – όπως και οι ροές δεδομένων που δημιουργούνται από τα πειράματα HL-LHC.

CERN QTI: αξιοποίηση της μεγάλης επιστήμης για την επιτάχυνση της κβαντικής καινοτομίας

Βραχυπρόθεσμα, θα χρειαστεί μια νέας εμφάνισης «γραμμή βάσης υπολογιστών» για να ανταποκριθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις δεδομένων του HL-LHC – μια γραμμή βάσης που θα απαιτεί την εκμετάλλευση σε κλίμακα μονάδων επεξεργασίας γραφικών για μαζική παράλληλη προσομοίωση, εγγραφή και επανεπεξεργασία δεδομένων , καθώς και κλασικές εφαρμογές μηχανικής μάθησης. Το CERN, από την πλευρά του, έχει επίσης δημιουργήσει έναν μεσοπρόθεσμο και μακροπρόθεσμο οδικό χάρτη που συγκεντρώνει τις κοινότητες φυσικής υψηλής ενέργειας και κβαντικής τεχνολογίας μέσω της Πρωτοβουλίας Κβαντικής Τεχνολογίας του CERN (QTI) – αναγνωρίζοντας ότι ένα άλλο άλμα στην υπολογιστική απόδοση έρχεται στο προσκήνιο με την εφαρμογή τεχνολογιών κβαντικών υπολογιστών και κβαντικών δικτύων.

Επιστροφή στα κβαντικά βασικά

Οι κβαντικοί υπολογιστές, όπως υποδηλώνει το όνομα, εκμεταλλεύονται τις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Παρόμοια με τους κλασσικούς υπολογιστές, που βασίζονται στα δυαδικά bit που λαμβάνουν την τιμή είτε του 0 είτε του 1, οι κβαντικοί υπολογιστές εκμεταλλεύονται τα κβαντικά δυαδικά bit, αλλά ως υπέρθεση καταστάσεων 0 και 1. Αυτή η υπέρθεση, σε συνδυασμό με την κβαντική εμπλοκή (συσχετίσεις μεταξύ κβαντικών δυαδικών ψηφίων), επιτρέπει κατ' αρχήν στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν ορισμένους τύπους υπολογισμών πολύ πιο γρήγορα από τις κλασσικές μηχανές - για παράδειγμα, κβαντικές προσομοιώσεις που εφαρμόζονται σε διάφορους τομείς της κβαντικής χημείας και της κινητικής μοριακών αντιδράσεων.

Ενώ οι ευκαιρίες για την επιστήμη και την ευρύτερη οικονομία φαίνονται συναρπαστικές, ένας από τους μεγάλους πονοκεφάλους μηχανικής που σχετίζονται με τους κβαντικούς υπολογιστές πρώιμου σταδίου είναι η ευαισθησία τους στον περιβαλλοντικό θόρυβο. Τα Qubits διαταράσσονται πολύ εύκολα, για παράδειγμα, από τις αλληλεπιδράσεις τους με το μαγνητικό πεδίο της Γης ή τα αδέσποτα ηλεκτρομαγνητικά πεδία από κινητά τηλέφωνα και δίκτυα WiFi. Οι αλληλεπιδράσεις με τις κοσμικές ακτίνες μπορεί επίσης να είναι προβληματικές, όπως και η παρεμβολή μεταξύ γειτονικών qubits.

<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="Μεγάλη φυσική Οι επιστήμονες του IHEP εργάζονται για να «ανακαλύψουν ξανά» το εξωτικό σωματίδιο Zc(3900) χρησιμοποιώντας κβαντική μηχανική μάθηση. Το υποατομικό σωματίδιο - η πρώτη κατάσταση τετρακουάρκ που παρατηρήθηκε πειραματικά - ανακαλύφθηκε το 2013 από τον ανιχνευτή BESIII (που φαίνεται εδώ) στον επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων του Πεκίνου του IHEP. (Ευγενική προσφορά: IHEP)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamental-science-physics-world-2.jpg”>

Η ιδανική λύση - μια στρατηγική που ονομάζεται διόρθωση σφαλμάτων - περιλαμβάνει την αποθήκευση των ίδιων πληροφοριών σε πολλά qubits, έτσι ώστε τα σφάλματα να εντοπίζονται και να διορθώνονται όταν ένα ή περισσότερα από τα qubit επηρεάζονται από θόρυβο. Το πρόβλημα με αυτούς τους λεγόμενους ανεκτικούς σε σφάλματα κβαντικούς υπολογιστές είναι η απαίτησή τους για μεγάλο αριθμό qubits (στην περιοχή των εκατομμυρίων) – κάτι που είναι αδύνατο να εφαρμοστεί σε κβαντικές αρχιτεκτονικές μικρής κλίμακας τρέχουσας γενιάς.

Αντίθετα, οι σχεδιαστές των σημερινών υπολογιστών Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) μπορούν είτε να δεχτούν τα φαινόμενα θορύβου ως έχουν είτε να ανακτήσουν εν μέρει τα σφάλματα αλγοριθμικά – δηλαδή χωρίς να αυξήσουν τον αριθμό των qubits – σε μια διαδικασία γνωστή ως μετριασμός σφαλμάτων. Είναι γνωστό ότι αρκετοί αλγόριθμοι προσδίδουν ανθεκτικότητα έναντι του θορύβου σε μικρής κλίμακας κβαντικούς υπολογιστές, έτσι ώστε το «κβαντικό πλεονέκτημα» να μπορεί να παρατηρηθεί σε συγκεκριμένες εφαρμογές φυσικής υψηλής ενέργειας παρά τους εγγενείς περιορισμούς των κβαντικών υπολογιστών τρέχουσας γενιάς.

Μια τέτοια γραμμή έρευνας στο IHEP επικεντρώνεται στην κβαντική προσομοίωση, εφαρμόζοντας ιδέες που προτάθηκαν αρχικά από τον Richard Feynman σχετικά με τη χρήση κβαντικών συσκευών για την προσομοίωση της χρονικής εξέλιξης των κβαντικών συστημάτων - για παράδειγμα, στην κβαντική χρωμοδυναμική πλέγματος (QCD). Για το πλαίσιο, το Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει όλες τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων εκτός από τη βαρυτική δύναμη – δηλαδή συνδέοντας τις ηλεκτρομαγνητικές, τις αδύναμες και τις ισχυρές δυνάμεις. Με αυτόν τον τρόπο, το μοντέλο περιλαμβάνει δύο ομάδες των λεγόμενων θεωριών πεδίου κβαντικού μετρητή: το μοντέλο Glashow–Weinberg–Salam (παρέχοντας μια ενοποιημένη περιγραφή των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών δυνάμεων) και QCD (για τις ισχυρές δυνάμεις).

Είναι γενικά η περίπτωση ότι οι θεωρίες πεδίου κβαντικού μετρητή δεν μπορούν να λυθούν αναλυτικά, με τις περισσότερες προβλέψεις για πειράματα να προέρχονται από μεθόδους προσέγγισης συνεχούς βελτίωσης (γνωστές και ως διαταραχές). Αυτήν τη στιγμή, οι επιστήμονες του προσωπικού IHEP εργάζονται για την άμεση προσομοίωση πεδίων μετρητών με κβαντικά κυκλώματα υπό απλουστευμένες συνθήκες (για παράδειγμα, σε διαστάσεις μειωμένου χωροχρόνου ή χρησιμοποιώντας πεπερασμένες ομάδες ή άλλες αλγεβρικές μεθόδους). Τέτοιες προσεγγίσεις είναι συμβατές με τις τρέχουσες επαναλήψεις των υπολογιστών NISQ και αντιπροσωπεύουν θεμελιώδη εργασία για μια πληρέστερη εφαρμογή του δικτυωτού QCD στο εγγύς μέλλον.

Μηχανική μάθηση: ο κβαντικός τρόπος

Ένα άλλο θέμα κβαντικής έρευνας στο IHEP περιλαμβάνει την κβαντική μηχανική μάθηση, η οποία μπορεί να ομαδοποιηθεί σε τέσσερις διακριτές προσεγγίσεις: CC, CQ, QC, QQ (με C - κλασικό, Q - κβαντικό). Σε κάθε περίπτωση, το πρώτο γράμμα αντιστοιχεί στον τύπο δεδομένων και το δεύτερο στον τύπο του υπολογιστή που εκτελεί τον αλγόριθμο. Το σχήμα CC, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί πλήρως κλασικά δεδομένα και κλασικούς υπολογιστές, αν και εκτελεί αλγόριθμους εμπνευσμένους από κβαντικά στοιχεία.

Η πιο πολλά υποσχόμενη περίπτωση χρήσης που επιδιώκεται στο IHEP, ωστόσο, περιλαμβάνει την κατηγορία CQ της μηχανικής μάθησης, όπου ο κλασικός τύπος δεδομένων χαρτογραφείται και εκπαιδεύεται σε κβαντικούς υπολογιστές. Το κίνητρο εδώ είναι ότι εκμεταλλευόμενοι τα θεμελιώδη στοιχεία της κβαντικής μηχανικής – τον ​​μεγάλο χώρο Hilbert, την υπέρθεση και τη διαπλοκή – οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι σε θέση να μάθουν πιο αποτελεσματικά από μεγάλης κλίμακας σύνολα δεδομένων για να βελτιστοποιήσουν τις προκύπτουσες μεθοδολογίες μηχανικής μάθησης.

<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="Παρακολούθηση σωματιδίων Οι επιστήμονες του IHEP πιστεύουν ότι ο κβαντικός υπολογισμός θα βοηθήσει στον εξορθολογισμό των μεθόδων ανακατασκευής ίχνους σε επιταχυντές σωματιδίων επόμενης γενιάς όπως ο HL-LHC. Επάνω: Ο Hideki Okawa (δεξιά), ο Jiaheng Zou (όρθιος) και ο Xiaozhong Huang (αριστερά) αξιολογούν τα ανακατασκευασμένα κομμάτια σωματιδίων που δημιουργήθηκαν με τον υπολογιστή Origin Quantum Wuyuan, ο οποίος τιμολογείται ως «ο πρώτος πρακτικός κβαντικός υπολογιστής της Κίνας». (Ευγενική προσφορά: IHEP)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamental-science-physics-world-3.jpg”>

Για να κατανοήσουν τη δυνατότητα για κβαντικό πλεονέκτημα, οι επιστήμονες του IHEP εργάζονται επί του παρόντος για την «επανανακάλυψη» του εξωτικού σωματιδίου Ζ_c(3900) με χρήση κβαντικής μηχανικής μάθησης. Όσον αφορά την ιστορία: Ζ_c(3900) είναι ένα εξωτικό υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από κουάρκ (τα δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων) και πιστεύεται ότι είναι η πρώτη κατάσταση τετρακουάρκ που παρατηρήθηκε πειραματικά - μια παρατήρηση που, στη διαδικασία, βάθυνε την κατανόησή μας για το QCD. Το σωματίδιο ανακαλύφθηκε το 2013 από τον ανιχνευτή Φασματομέτρου Πεκίνου (BESIII) στον Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων του Πεκίνου (BEPCII), με ανεξάρτητη παρατήρηση από το πείραμα Belle στο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής KEK της Ιαπωνίας.

Οι καινοτομίες της κλίνης δοκιμών του QUANT-NET: επανασχεδιασμός του κβαντικού δικτύου

Ως μέρος αυτής της μελέτης Ε&Α, μια ομάδα με επικεφαλής τον Jiaheng Zou του IHEP, και συμπεριλαμβανομένων συναδέλφων από το Πανεπιστήμιο Shandong και το Πανεπιστήμιο της Jinan, ανέπτυξε τον λεγόμενο αλγόριθμο Quantum Support Vector Machine (μια κβαντική παραλλαγή ενός κλασικού αλγορίθμου) για την εκπαίδευση κατά μήκος με προσομοιωμένα σήματα του Ζ_c(3900) και τυχαία επιλεγμένα συμβάντα από τα πραγματικά δεδομένα BESIII ως φόντο.

Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση της κβαντικής μηχανικής μάθησης, η απόδοση είναι ανταγωνιστική σε σχέση με τα κλασικά συστήματα μηχανικής μάθησης – αν και, κυρίως, με μικρότερο σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης και λιγότερα χαρακτηριστικά δεδομένων. Οι έρευνες συνεχίζονται για να αποδειχθεί βελτιωμένη ευαισθησία σήματος με κβαντικό υπολογισμό, έργο που θα μπορούσε τελικά να δείξει τον δρόμο για την ανακάλυψη νέων εξωτικών σωματιδίων σε μελλοντικά πειράματα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/