IHEP מחפש הזדמנויות קוונטיות למסלול מהיר של מדע יסוד - עולם הפיזיקה

<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="לדמות כדי לצבור אשכול המחשוב בעל הביצועים הגבוהים של IHEP הוא אחד מכמה משאבי מחשוב התומכים בפלטפורמת הסימולטור הקוונטי של QuIHEP. (באדיבות: IHEP)">

המכון לפיזיקת אנרגיה גבוהה (IHEP), חלק מהאקדמיה הסינית למדעים, הוא המעבדה המדעית הבסיסית הגדולה ביותר בסין. הוא מארח תוכנית מחקר רב-תחומית המשתרעת על פיזיקת חלקיקים יסודיים, אסטרופיזיקה וכן תכנון, תכנון ובנייה של פרויקטים של מאיצים בקנה מידה גדול - כולל מקור הנויטרונים הסיני של סין, שהושק ב-2018, ומקור הפוטון האנרגיה הגבוה, שעתיד להגיע. מקוון בשנת 2025.

בעוד שההשקעה בתשתית הניסויית של IHEP עלתה בצורה דרמטית במהלך 20 השנים האחרונות, הפיתוח והיישום של טכנולוגיות למידת מכונות קוונטיות ומחשוב קוונטי צפויים כעת להניב תוצאות מרחיקות לכת דומות במסגרת תוכנית המחקר של IHEP.   

מדע גדול, פתרונות קוונטיים

פיזיקה באנרגיה גבוהה היא המקום שבו "מדע גדול" פוגש "ביג דאטה". גילוי חלקיקים חדשים וחקירה בחוקי הטבע הבסיסיים הם מאמצים שמייצרים כמויות מדהימות של נתונים. מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) ב-CERN מייצר פטה-בייט (10¹⁵ בתים) של נתונים במהלך ריצות הניסוי שלו - את כולם יש לעבד ולנתח בעזרת מחשוב רשת, תשתית מבוזרת שמרשתת משאבי מחשוב ברחבי העולם.

בדרך זו, רשת המחשוב העולמית של LHC מעניקה לקהילה של אלפי פיזיקאים גישה כמעט בזמן אמת לנתוני LHC. רשת המחשוב המתוחכמת הזו הייתה בסיסית לגילוי הבוזון של היגס ב-CERN בשנת 2012, כמו גם אינספור התקדמות נוספת לחקירה נוספת של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

עם זאת, מתקרבת נקודת פיתול נוספת בכל הנוגע לאחסון, ניתוח וכרייה של נתונים גדולים בפיזיקה עתירת אנרגיה. מאיץ ההדרון הגדול בעלות בהירות גבוהה (HL-LHC), אשר צפוי להיכנס לפעולה בשנת 2029, ייצור "מחנק מחשוב" כעוצמת הבהירות המשולבת של המכונה, פרופורציונלית למספר התנגשויות החלקיקים המתרחשות בפרק זמן נתון , יגדל בפקטור של 10 לעומת ערך התכנון של ה-LHC - וכך גם זרמי הנתונים שנוצרו על ידי ניסויי HL-LHC.

CERN QTI: רתימת מדע גדול כדי להאיץ חדשנות קוונטית

בטווח הקרוב, יידרש "קו בסיס מחשוב" במראה חדש כדי להתמודד עם דרישות הנתונים הגואות של ה-HL-LHC - קו בסיס שידרוש ניצול בקנה מידה רחב של יחידות עיבוד גרפיות לצורך הדמיה מקבילה מסיבית, הקלטת נתונים ועיבוד מחדש. , כמו גם יישומים קלאסיים של למידת מכונה. CERN, מצדה, גם הקימה מפת דרכים לטווח בינוני וארוך המפגישה את קהילות הפיזיקה והטכנולוגיה הקוונטית עתירת האנרגיה באמצעות יוזמת הטכנולוגיה הקוונטית של CERN (QTI) - הכרה בכך שקפיצה נוספת בביצועי המחשוב באה לידי ביטוי עם יישום של טכנולוגיות מחשוב קוונטי ורשתות קוונטיות.

חזרה ליסודות הקוונטים

מחשבים קוונטיים, כפי שהשם מרמז, מנצלים את העקרונות הבסיסיים של מכניקת הקוונטים. בדומה למחשבים קלאסיים, המסתמכים על הסיביות הבינאריות שלוקחות את הערך של 0 או 1, מחשבים קוונטיים מנצלים ביטים בינאריים קוונטיים, אך כסופרפוזיציה של מצבי 0 ו-1. סופרפוזיציה זו, יחד עם הסתבכות קוונטית (מתאמים בין סיביות קוונטיות), מאפשרת באופן עקרוני למחשבים קוונטיים לבצע כמה סוגים של חישוב מהר יותר באופן משמעותי ממכונות קלאסיות - למשל, הדמיות קוונטיות המיושמות בתחומים שונים של כימיה קוונטית וקינטיקה של תגובה מולקולרית.

בעוד שההזדמנויות למדע ולכלכלה הרחבה יותר נראות משכנעות, אחת מכאבי הראש ההנדסיים הגדולים הקשורים למחשבים קוונטיים בשלבים מוקדמים היא הפגיעות שלהם לרעש סביבתי. קוויביטים מופרעים בקלות רבה מדי, למשל, על ידי האינטראקציות שלהם עם השדה המגנטי של כדור הארץ או שדות אלקטרומגנטיים תועים מטלפונים ניידים ורשתות WiFi. גם אינטראקציות עם קרניים קוסמיות יכולות להיות בעייתיות, וכך גם הפרעות בין קיוביטים שכנים.

<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="פיזיקה גדולה מדעני IHEP פועלים "לגלות מחדש" את החלקיק האקזוטי Zc(3900) באמצעות למידת מכונה קוונטית. החלקיק התת-אטומי - מצב הטטרקווארק הראשון שנצפה בניסוי - התגלה בשנת 2013 על ידי גלאי BESIII (מוצג כאן) במתאיץ האלקטרון-פוזיטרון בבייג'ינג של IHEP. (באדיבות: IHEP)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamental-science-physics-world-2.jpg">

הפתרון האידיאלי - אסטרטגיה הנקראת תיקון שגיאות - כרוך באחסון אותו מידע על פני קיוביטים מרובים, כך ששגיאות יתגלו ויתוקנו כאשר אחד או יותר מהקיוביטים מושפעים מרעש. הבעיה עם מחשבים קוונטיים כביכול סובלני תקלות אלה היא הדרישה שלהם למספר רב של קיוביטים (באזור של מיליונים) - דבר שאי אפשר ליישם בארכיטקטורות קוונטיות בקנה מידה קטן מהדור הנוכחי.

במקום זאת, המעצבים של מחשבי ה-Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) של ימינו יכולים לקבל את אפקטי הרעש כפי שהם או לשחזר חלקית את השגיאות באופן אלגוריתמי – כלומר מבלי להגדיל את מספר הקיוביטים – בתהליך המכונה הפחתת שגיאות. ידועים מספר אלגוריתמים כמקנים עמידות בפני רעש במחשבים קוונטיים בקנה מידה קטן, כך ש"יתרון קוונטי" עשוי להיות נצפה ביישומי פיזיקה ספציפיים בעלי אנרגיה גבוהה למרות המגבלות המובנות של מחשבים קוונטיים מהדור הנוכחי.

קו חקירה אחד כזה ב-IHEP מתמקד בסימולציה קוונטית, תוך יישום רעיונות שהועלו במקור על ידי ריצ'רד פיינמן סביב השימוש במכשירים קוונטיים כדי לדמות את התפתחות הזמן של מערכות קוונטיות - למשל, בכרומודינמיקה קוונטית סריג (QCD). לצורך הקשר, המודל הסטנדרטי מתאר את כל האינטראקציות הבסיסיות בין החלקיקים היסודיים מלבד כוח הכבידה - כלומר חיבור הכוחות האלקטרומגנטיים, החלשים והחזקים. בדרך זו, המודל מורכב משתי קבוצות של מה שנקרא תיאוריות שדות מד קוונטי: מודל Glashow–Weinberg–Salam (המספק תיאור אחיד של הכוחות האלקטרומגנטיים והחלשים) ו-QCD (עבור הכוחות החזקים).

בדרך כלל, לא ניתן לפתור את תיאוריות השדות של מד קוונטי בצורה אנליטית, כאשר רוב התחזיות לניסויים נגזרות משיטות קירוב של שיפור מתמיד (הידוע גם בשם הפרעה). נכון לעכשיו, מדעני צוות IHEP עובדים על הדמיה ישירה של שדות מד עם מעגלים קוונטיים בתנאים פשוטים (לדוגמה, בממדים מופחתים של מרחב-זמן או על ידי שימוש בקבוצות סופיות או שיטות אלגבריות אחרות). גישות כאלה תואמות את האיטרציות הנוכחיות של מחשבי NISQ ומייצגות עבודה בסיסית ליישום שלם יותר של QCD סריג בעתיד הקרוב.

למידת מכונה: הדרך הקוונטית

נושא נוסף למחקר קוונטי ב-IHEP כולל למידת מכונה קוונטית, אותה ניתן לקבץ לארבע גישות שונות: CC, CQ, QC, QQ (עם C - קלאסי; Q - קוונטי). בכל מקרה, האות הראשונה מתאימה לסוג הנתונים והאחרונה לסוג המחשב המריץ את האלגוריתם. ערכת ה-CC, למשל, משתמשת במלואה בנתונים קלאסיים ובמחשבים קלאסיים, אם כי מפעילה אלגוריתמים בהשראת קוונטים.

עם זאת, מקרה השימוש המבטיח ביותר שנמצא ב-IHEP כולל את קטגוריית ה-CQ של למידת מכונה, שבה סוג הנתונים הקלאסי ממופה ומאומן במחשבים קוונטיים. המוטיבציה כאן היא שעל ידי ניצול היסודות של מכניקת הקוונטים - מרחב הילברט הגדול, סופרפוזיציה והסתבכות - מחשבים קוונטיים יוכלו ללמוד בצורה יעילה יותר ממערכי נתונים בקנה מידה גדול כדי לייעל את המתודולוגיות של למידת מכונה כתוצאה מכך.

<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="מעקב אחר חלקיקים מדעני IHEP מאמינים שמחשוב קוונטי יעזור לייעל את שיטות שחזור המסלול במאיצי חלקיקים מהדור הבא כמו HL-LHC. למעלה: Hideki Okawa (מימין), Jiaheng Zou (עומד) ו-Xiaozhong Huang (משמאל) מעריכים מסלולי חלקיקים משוחזרים שנוצרו עם מחשב Origin Quantum Wuyuan, שנחשב כ"מחשב הקוונטי המעשי הראשון של סין". (באדיבות: IHEP)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamental-science-physics-world-3.jpg">

כדי להבין את הפוטנציאל ליתרון קוונטי, מדעני IHEP עובדים כעת על "לגלות מחדש" את החלקיק האקזוטי Z_c(3900) באמצעות למידת מכונה קוונטית. מבחינת הסיפור האחורי: ז_c(3900) הוא חלקיק תת-אטומי אקזוטי המורכב מקווארקים (אבני הבניין של פרוטונים וניוטרונים) ומאמינים שהוא מצב הטטראקווארק הראשון שנצפה בניסוי - תצפית שתוך כדי כך העמיקה את ההבנה שלנו לגבי QCD. החלקיק התגלה בשנת 2013 על ידי גלאי הספקטרומטר של בייג'ינג (BESIII) במאיץ האלקטרון-פוזיטרון בבייג'ינג (BEPCII), עם תצפית עצמאית על ידי ניסוי בל במעבדת פיסיקת החלקיקים KEK ביפן.

חידושי המבחן של QUANT-NET: דמיון מחדש של הרשת הקוונטית

כחלק ממחקר מו"פ זה, צוות בראשות Jiaheng Zou מ-IHEP, הכולל עמיתים מאוניברסיטת שאנדונג ומאוניברסיטת ג'ינאן, פרס את מה שנקרא Quantum Support Vector Machine (גרסה קוונטית של אלגוריתם קלאסי) עבור ההדרכה לאורך כל הדרך. עם אותות מדומים של Z_c(3900) ואירועים שנבחרו באקראי מתוך נתוני BESIII האמיתיים כרקע.

באמצעות גישת למידת מכונות קוונטיות, הביצועים תחרותיים לעומת מערכות למידת מכונות קלאסיות - אם כי, באופן מכריע, עם מערך אימון קטן יותר ופחות תכונות נתונים. חקירות נמשכות כדי להדגים רגישות מוגברת לאותות עם מחשוב קוונטי, עבודה שיכולה בסופו של דבר להצביע על הדרך לגילוי של חלקיקים אקזוטיים חדשים בניסויים עתידיים.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/