IHEP otsib kvantvõimalusi fundamentaalteaduse kiirendamiseks – 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="Kogunemiseks simuleerige IHEP suure jõudlusega andmetöötlusklaster on üks paljudest arvutusressurssidest, mis toetavad QuIHEP kvantsimulaatori platvormi. (Viisakalt: IHEP)”>

Hiina Teaduste Akadeemiasse kuuluv kõrgenergiafüüsika instituut (IHEP) on Hiina suurim alusteaduste labor. See korraldab multidistsiplinaarset uurimisprogrammi, mis hõlmab nii elementaarosakeste füüsikat, astrofüüsikat kui ka suuremahuliste kiirendiprojektide kavandamist, kavandamist ja ehitamist, sealhulgas Hiina Spallatsiooni neutronite allikas, mis käivitati 2018. aastal, ja suure energiatarbega fotoniallikas, mis peaks tulema. Internetis 2025. aastal.

Kuigi investeeringud IHEP-i eksperimentaalsesse infrastruktuuri on viimase 20 aasta jooksul järsult kasvanud, on kvantmasinõppe ja kvantarvutustehnoloogiate arendamine ja rakendamine nüüd valmis andma IHEP-i uurimisprogrammi raames sarnaseid kaugeleulatuvaid tulemusi.   

Suur teadus, kvantlahendused

Kõrge energiaga füüsika on koht, kus "suur teadus" kohtub "suurte andmetega". Uute osakeste avastamine ja põhiliste loodusseaduste uurimine on ettevõtmine, mis toodab uskumatuid andmemahtusid. CERNi suur hadronipõrgeti (LHC) genereerib petabaite (10¹⁵ baiti) andmeid selle eksperimentaalsete käituste ajal – neid kõiki tuleb töödelda ja analüüsida grid computing, hajutatud infrastruktuuri abil, mis ühendab arvutusressursse kogu maailmas.

Sel viisil annab ülemaailmne LHC arvutusvõrk tuhandete füüsikute kogukonnale peaaegu reaalajas juurdepääsu LHC andmetele. See keerukas arvutusvõrk oli CERNis 2012. aastal Higgsi bosoni olulise avastamise ja lugematute muude edusammude jaoks ülioluline osakeste füüsika standardmudeli edasisel uurimisel.

Suurte andmete salvestamise, analüüsimise ja kaevandamise osas kõrgenergia füüsikas on aga tekkimas veel üks pöördepunkt. Suure heledusega suur hadronipõrge (HL-LHC), mis peaks tööle 2029. aastal, tekitab masina integreeritud heledusena "arvutusprobleeme", mis on võrdeline teatud aja jooksul toimuvate osakeste kokkupõrgete arvuga. , suureneb 10 korda võrreldes LHC projekteerimisväärtusega – nagu ka HL-LHC katsetega genereeritud andmevood.

CERN QTI: suure teaduse rakendamine kvantinnovatsiooni kiirendamiseks

Lähiajal on HL-LHC hüppeliselt kasvava andmenõudlusega toimetulemiseks vaja uut välimust andmetöötluse baasjoont – baasjoont, mis nõuab graafikatöötlusüksuste ulatuslikku kasutamist massiliselt paralleelseks simuleerimiseks, andmete salvestamiseks ja ümbertöötlemiseks. , aga ka masinõppe klassikalisi rakendusi. CERN on omalt poolt koostanud ka keskmise ja pikaajalise tegevuskava, mis ühendab CERNi kvanttehnoloogia algatuse (QTI) kaudu suure energiatarbega füüsika ja kvanttehnoloogia kogukonnad – see annab tunnistust sellest, et arvuti jõudluses on tulemas järjekordne hüpe. kvantarvutuse ja kvantvõrkude tehnoloogiate rakendamisega.

Tagasi kvantaluste juurde

Kvantarvutid, nagu nimigi viitab, kasutavad ära kvantmehaanika aluspõhimõtteid. Sarnaselt klassikalistele arvutitele, mis tuginevad kahendbittidele, mille väärtus on kas 0 või 1, kasutavad kvantarvutid kvantbinaarbitte, kuid olekute 0 ja 1 superpositsioonina. See superpositsioon koos kvantpõimumisega (kvantbittide vahelised korrelatsioonid) võimaldab põhimõtteliselt kvantarvutitel sooritada teatud tüüpi arvutusi oluliselt kiiremini kui klassikalised masinad – näiteks kvantsimulatsioonid, mida rakendatakse erinevates kvantkeemia ja molekulaarsete reaktsioonide kineetika valdkondades.

Kuigi teaduse ja majanduse võimalused laiemalt tunduvad mõjuvad, on varajases staadiumis kvantarvutitega seotud üks suuri inseneriprobleeme nende haavatavus keskkonnamüra suhtes. Kubitid on liiga kergesti häiritud, näiteks nende vastasmõju Maa magnetväljaga või mobiiltelefonide ja WiFi-võrkude eksivad elektromagnetväljad. Probleemsed võivad olla ka interaktsioonid kosmiliste kiirtega, nagu ka häired naaberkubitite vahel.

<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="Suur füüsika IHEP scientists are working to “rediscover” the exotic particle Zc(3900) using quantum machine learning. The subatomic particle – the first tetraquark state observed experimentally – was discovered in 2013 by the BESIII detector (shown here) at IHEP’s Beijing Electron–Positron Collider. (Courtesy: IHEP)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-2.jpg”>

Ideaalne lahendus – strateegia, mida nimetatakse veaparanduseks – hõlmab sama teabe salvestamist mitme kubiti vahel, nii et vead tuvastatakse ja parandatakse, kui ühte või mitut kubiti mõjutab müra. Nende nn tõrketaluvusega kvantarvutite probleem seisneb selles, et neil on vaja suurt hulka kubiteid (umbes miljoneid) – midagi, mida praeguse põlvkonna väikesemahulistes kvantarhitektuurides on võimatu rakendada.

Selle asemel saavad tänapäevaste mürakesksete kvantarvutite (NISQ) disainerid kas aktsepteerida müraefekte sellisel kujul, nagu need on, või osaliselt taastada vead algoritmiliselt – st ilma kubitide arvu suurendamata – protsessis, mida nimetatakse vigade leevendamiseks. On teada, et mitmed algoritmid annavad väikesemahulistes kvantarvutites müra vastupanuvõimet, nii et "kvantieelis" võib olla täheldatav konkreetsetes suure energiatarbega füüsikarakendustes, hoolimata praeguse põlvkonna kvantarvutite omapärastest piirangutest.

Üks selline IHEP-i uurimissuund keskendub kvantsimulatsioonile, rakendades Richard Feynmani algselt esitatud ideid kvantseadmete kasutamise kohta kvantsüsteemide ajalise arengu simuleerimiseks – näiteks võre kvantkromodünaamikas (QCD). Konteksti jaoks kirjeldab standardmudel kõiki elementaarosakeste põhilisi vastastikmõjusid peale gravitatsioonijõu – st elektromagnetiliste, nõrkade ja tugevate jõudude ühendamist. Sel viisil sisaldab mudel kahte nn kvantmõõturi väljateooriate komplekti: Glashow-Weinberg-Salami mudelit (annab elektromagnetiliste ja nõrkade jõudude ühtse kirjelduse) ja QCD (tugevate jõudude jaoks).

Üldiselt on nii, et kvantmõõturi väljateooriaid ei saa analüütiliselt lahendada, enamik ennustusi katsete jaoks on tuletatud pideva täiustamise lähendusmeetoditest (tuntud ka kui häiritus). Praegu tegelevad IHEPi töötajad gabariidiväljade otsese simuleerimisega kvantahelatega lihtsustatud tingimustes (näiteks vähendatud aegruumi mõõtmetes või piiratud rühmade või muude algebraliste meetodite abil). Sellised lähenemisviisid ühilduvad NISQ arvutite praeguste iteratsioonidega ja kujutavad endast põhitööd võre QCD täielikumaks rakendamiseks lähitulevikus.

Masinõpe: kvanttee

Teine IHEP-i kvantuuringute teema hõlmab kvantmasinaõpet, mida saab rühmitada nelja erinevasse lähenemisviisi: CC, CQ, QC, QQ (koos C - klassikaline; Q - kvant). Igal juhul vastab esimene täht andmetüübile ja viimane algoritmi käivitava arvuti tüübile. Näiteks CC-skeem kasutab täielikult klassikalisi andmeid ja klassikalisi arvuteid, kuigi töötab kvant-inspireeritud algoritme.

Kõige lootustandvam kasutusjuhtum, mida IHEP-is taotletakse, hõlmab aga masinõppe CQ-kategooriat, kus klassikaline andmetüüp kaardistatakse ja koolitatakse kvantarvutites. Motivatsioon seisneb selles, et kvantmehaanika põhialuseid – suurt Hilberti ruumi, superpositsiooni ja põimumist – ära kasutades saavad kvantarvutid suuremahulistest andmekogumitest tõhusamalt õppida, et optimeerida sellest tulenevaid masinõppe metoodikaid.

<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="Osakeste jälgimine IHEP scientists believe quantum computing will help to streamline track reconstruction methods in next-generation particle accelerators like the HL-LHC. Above: Hideki Okawa (right), Jiaheng Zou (standing) and Xiaozhong Huang (left) evaluate reconstructed particle tracks generated with the Origin Quantum Wuyuan computer, billed as “China’s first practical quantum computer”. (Courtesy: IHEP)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science-physics-world-3.jpg”>

Kvantieelise potentsiaali mõistmiseks töötavad IHEP-i teadlased praegu eksootilise osakese Z "taasavastamise" kallal._c(3900), kasutades kvantmasinõpet. Mis puudutab taustalugu: Z_c(3900) on eksootiline subatomiline osake, mis koosneb kvarkidest (prootonite ja neutronite ehitusplokid) ja arvatakse olevat esimene eksperimentaalselt täheldatud tetrakvargi olek – tähelepanek, mis süvendas meie arusaamist QCD-st. Osakese avastas 2013. aastal Beijingi spektromeetri (BESIII) detektor Pekingi elektron-positronide põrgataja (BEPCII) abil, sõltumatu vaatluse tegi Belle katse Jaapanis KEK osakeste füüsika laboris.

QUANT-NETi katsealuse uuendused: kvantvõrgu ümberkujundamine

Selle teadus- ja arendustegevuse uuringu osana kasutas IHEP-i Jiaheng Zou juhitud meeskond ning kolleegid Shandongi ülikoolist ja Jinani ülikoolist nn Quantum Support Vector Machine algoritmi (klassikalise algoritmi kvantvariant) koolituseks. Z simuleeritud signaalidega_c(3900) ja juhuslikult valitud sündmused tegelikest BESIII andmetest taustaks.

Kvantmasinõppe lähenemisviisi kasutades on jõudlus võrreldes klassikaliste masinõppesüsteemidega konkurentsivõimeline – kuigi oluline on see, et koolituse andmekogum on väiksem ja andmefunktsioonid on väiksemad. Käimas on uuringud, et demonstreerida kvantarvutite abil suurenenud signaalitundlikkust – tööd, mis võib lõpuks näidata teed uute eksootiliste osakeste avastamisele tulevastes katsetes.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/