IHEP zoekt naar kwantummogelijkheden om de fundamentele wetenschap te versnellen – 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="Simuleer om te accumuleren Het high-performance computing-cluster van IHEP is een van de vele computerbronnen die het QuIHEP-kwantumsimulatorplatform ondersteunen. (Met dank aan: IHEP)”>

Het Institute of High Energy Physics (IHEP), onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, is het grootste laboratorium voor basiswetenschappen in China. Het herbergt een multidisciplinair onderzoeksprogramma dat zich uitstrekt over elementaire deeltjesfysica, astrofysica en de planning, het ontwerp en de constructie van grootschalige versnellerprojecten – waaronder de China Spallation Neutron Source, die in 2018 werd gelanceerd, en de High Energy Photon Source, die binnenkort zal verschijnen. online in 2025.

Hoewel de investeringen in de experimentele infrastructuur van IHEP de afgelopen twintig jaar dramatisch zijn toegenomen, staat de ontwikkeling en toepassing van quantum-machine learning en quantum-computing-technologieën nu klaar om vergelijkbare verreikende resultaten op te leveren binnen het IHEP-onderzoeksprogramma.   

Grote wetenschap, kwantumoplossingen

Bij de hoge-energiefysica ontmoeten ‘big science’ en ‘big data’ elkaar. Het ontdekken van nieuwe deeltjes en het onderzoeken van de fundamentele natuurwetten zijn inspanningen die ongelooflijke hoeveelheden gegevens opleveren. De Large Hadron Collider (LHC) op CERN genereert petabytes (10¹⁵ bytes) aan gegevens tijdens de experimentele uitvoeringen – die allemaal moeten worden verwerkt en geanalyseerd met behulp van grid computing, een gedistribueerde infrastructuur die computerbronnen over de hele wereld met elkaar verbindt.

Op deze manier geeft het Worldwide LHC Computing Grid een gemeenschap van duizenden natuurkundigen bijna realtime toegang tot LHC-gegevens. Dat geavanceerde rekenraster was van fundamenteel belang voor de baanbrekende ontdekking van het Higgs-deeltje op CERN in 2012, evenals voor talloze andere vorderingen om het standaardmodel van de deeltjesfysica verder te onderzoeken.

Er dreigt echter een ander keerpunt als het gaat om de opslag, analyse en mining van big data in de hoge-energiefysica. De High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), die naar verwachting in 2029 in gebruik zal worden genomen, zal een ‘computercrunch’ creëren omdat de geïntegreerde helderheid van de machine evenredig is met het aantal deeltjesbotsingen dat in een bepaalde tijdsduur plaatsvindt. , zal met een factor 10 toenemen ten opzichte van de ontwerpwaarde van de LHC – net als de datastromen die door de HL-LHC-experimenten worden gegenereerd.

CERN QTI: grote wetenschap benutten om kwantuminnovatie te versnellen

Op de korte termijn zal er een vernieuwde ‘computerbasislijn’ nodig zijn om te kunnen voldoen aan de stijgende gegevensbehoefte van de HL-LHC – een basislijn die de grootschalige exploitatie van grafische verwerkingseenheden vereist voor massaal parallelle simulatie, gegevensregistratie en herverwerking. , evenals klassieke toepassingen van machinaal leren. CERN heeft op zijn beurt ook een routekaart voor de middellange en lange termijn opgesteld die de gemeenschappen van hoge-energiefysica en kwantumtechnologie samenbrengt via het CERN Quantum Technology Initiative (QTI) – een erkenning dat een nieuwe sprong in computerprestaties in zicht komt met de toepassing van kwantumcomputing en kwantumnetwerktechnologieën.

Terug naar de kwantumbasis

Kwantumcomputers maken, zoals de naam al aangeeft, gebruik van de fundamentele principes van de kwantummechanica. Net als klassieke computers, die afhankelijk zijn van de binaire bits die de waarde 0 of 1 aannemen, exploiteren kwantumcomputers kwantum binaire bits, maar dan als een superpositie van 0 en 1 toestanden. Deze superpositie, gekoppeld aan kwantumverstrengeling (correlaties tussen kwantumbits), zorgt er in principe voor dat kwantumcomputers sommige soorten berekeningen aanzienlijk sneller kunnen uitvoeren dan klassieke machines – bijvoorbeeld kwantumsimulaties die worden toegepast op verschillende gebieden van de kwantumchemie en moleculaire reactiekinetiek.

Hoewel de kansen voor de wetenschap en de bredere economie overtuigend lijken, is een van de grote technische problemen die gepaard gaan met kwantumcomputers in een vroeg stadium hun kwetsbaarheid voor omgevingsgeluid. Qubits worden maar al te gemakkelijk verstoord, bijvoorbeeld door hun interacties met het magnetische veld van de aarde of door elektromagnetische velden van mobiele telefoons en WiFi-netwerken. Interacties met kosmische straling kunnen ook problematisch zijn, evenals interferentie tussen aangrenzende 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="Grote natuurkunde IHEP-wetenschappers werken aan het ‘herontdekken’ van het exotische deeltje Zc(3900) met behulp van quantum machine learning. Het subatomaire deeltje – de eerste experimenteel waargenomen tetraquarktoestand – werd in 2013 ontdekt door de BESIII-detector (hier afgebeeld) bij de Beijing Electron-Positron Collider van IHEP. (Met dank aan: IHEP)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamentele-wetenschap-natuurkunde-wereld-2.jpg”>

De ideale oplossing – een strategie die foutcorrectie wordt genoemd – houdt in dat dezelfde informatie over meerdere qubits wordt opgeslagen, zodat fouten worden gedetecteerd en gecorrigeerd wanneer een of meer van de qubits worden beïnvloed door ruis. Het probleem met deze zogenaamde fouttolerante kwantumcomputers is hun behoefte aan een groot aantal qubits (in de buurt van miljoenen) – iets dat onmogelijk te implementeren is in de huidige generatie kleinschalige kwantumarchitecturen.

In plaats daarvan kunnen de ontwerpers van de huidige Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) computers de ruiseffecten accepteren zoals ze zijn, of de fouten algoritmisch gedeeltelijk herstellen – dat wil zeggen zonder het aantal qubits te vergroten – in een proces dat bekend staat als foutbeperking. Het is bekend dat verschillende algoritmen veerkracht bieden tegen ruis in kleinschalige kwantumcomputers, zodat ‘kwantumvoordeel’ waarneembaar kan zijn in specifieke toepassingen van de hoge-energiefysica, ondanks de inherente beperkingen van de kwantumcomputers van de huidige generatie.

Eén van die onderzoekslijnen bij IHEP richt zich op kwantumsimulatie, waarbij ideeën worden toegepast die oorspronkelijk door Richard Feynman naar voren zijn gebracht rond het gebruik van kwantumapparaten om de tijdsevolutie van kwantumsystemen te simuleren – bijvoorbeeld in roosterkwantumchromodynamica (QCD). Ter context beschrijft het Standaardmodel alle fundamentele interacties tussen de elementaire deeltjes, afgezien van de zwaartekracht – dat wil zeggen het met elkaar verbinden van de elektromagnetische, zwakke en sterke krachten. Op deze manier omvat het model twee sets zogenaamde kwantummeterveldtheorieën: het Glasshow-Weinberg-Salam-model (dat een uniforme beschrijving geeft van de elektromagnetische en zwakke krachten) en QCD (voor de sterke krachten).

Het is over het algemeen zo dat de veldtheorieën van de kwantummeter niet analytisch kunnen worden opgelost, waarbij de meeste voorspellingen voor experimenten zijn afgeleid van methoden voor continue verbetering van de benadering (ook bekend als verstoring). Op dit moment werken stafwetenschappers van IHEP aan het direct simuleren van ijkvelden met kwantumcircuits onder vereenvoudigde omstandigheden (bijvoorbeeld in gereduceerde ruimte-tijddimensies of door gebruik te maken van eindige groepen of andere algebraïsche methoden). Dergelijke benaderingen zijn compatibel met huidige iteraties van NISQ-computers en vertegenwoordigen fundamenteel werk voor een completere implementatie van rooster-QCD in de nabije toekomst.

Machine learning: de kwantummanier

Een ander kwantumonderzoeksthema bij IHEP betreft kwantummachine learning, dat kan worden gegroepeerd in vier verschillende benaderingen: CC, CQ, QC, QQ (met C – klassiek; Q – kwantum). In elk geval komt de eerste letter overeen met het gegevenstype en de laatste met het type computer waarop het algoritme draait. Het CC-schema maakt bijvoorbeeld volledig gebruik van klassieke gegevens en klassieke computers, maar draait op kwantumgeïnspireerde algoritmen.

De meest veelbelovende use-case die bij IHEP wordt nagestreefd, betreft echter de CQ-categorie van machinaal leren, waarbij het klassieke gegevenstype in kaart wordt gebracht en getraind in kwantumcomputers. De motivatie hier is dat door gebruik te maken van de fundamenten van de kwantummechanica – de grote Hilbertruimte, superpositie en verstrengeling – kwantumcomputers effectiever zullen kunnen leren van grootschalige datasets om de daaruit voortvloeiende machinale leermethodologieën te optimaliseren.

<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="Deeltjes volgen IHEP-wetenschappers geloven dat quantum computing zal helpen bij het stroomlijnen van spoorreconstructiemethoden in deeltjesversnellers van de volgende generatie, zoals de HL-LHC. Boven: Hideki Okawa (rechts), Jiaheng Zou (staand) en Xiaozhong Huang (links) evalueren gereconstrueerde deeltjessporen gegenereerd met de Origin Quantum Wuyuan-computer, aangekondigd als "China's eerste praktische kwantumcomputer". (Met dank aan: IHEP)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -fundamentele-wetenschap-natuurkunde-wereld-3.jpg”>

Om het potentieel voor kwantumvoordeel te begrijpen, werken IHEP-wetenschappers momenteel aan het “herontdekken” van het exotische deeltje Z_c(3900) met behulp van kwantummachine learning. Wat het achtergrondverhaal betreft: Z_c(3900) is een exotisch subatomair deeltje dat bestaat uit quarks (de bouwstenen van protonen en neutronen) en waarvan wordt aangenomen dat het de eerste tetraquarktoestand is die experimenteel is waargenomen – een observatie die gaandeweg ons begrip van QCD heeft verdiept. Het deeltje werd in 2013 ontdekt door de Beijing Spectrometer (BESIII) -detector bij de Beijing Electron-Positron Collider (BEPCII), met onafhankelijke observatie door het Belle-experiment in het Japanse KEK-deeltjesfysica-laboratorium.

QUANT-NET's testbedinnovaties: het kwantumnetwerk opnieuw vormgeven

Als onderdeel van deze R&D-studie heeft een team onder leiding van Jiaheng Zou van IHEP, en met collega's van de Shandong Universiteit en de Universiteit van Jinan, het zogenaamde Quantum Support Vector Machine-algoritme (een kwantumvariant van een klassiek algoritme) ingezet voor de training. met gesimuleerde signalen van Z_c(3900) en willekeurig geselecteerde gebeurtenissen uit de echte BESIII-gegevens als achtergrond.

Met behulp van de kwantummachine-learning-aanpak zijn de prestaties concurrerend ten opzichte van klassieke machine-learning-systemen – hoewel, cruciaal, met een kleinere trainingsdataset en minder datafuncties. Er zijn onderzoeken gaande om verbeterde signaalgevoeligheid met kwantumcomputers aan te tonen, werk dat uiteindelijk de weg zou kunnen wijzen naar de ontdekking van nieuwe exotische deeltjes in toekomstige experimenten.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/