IHEP แสวงหาโอกาสควอนตัมเพื่อเร่งรัดวิทยาศาสตร์พื้นฐาน - 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="จำลองให้สะสม คลัสเตอร์การประมวลผลประสิทธิภาพสูง IHEP เป็นหนึ่งในทรัพยากรการประมวลผลจำนวนมากที่รองรับแพลตฟอร์มจำลองควอนตัม QuIHEP (เอื้อเฟื้อโดย: IHEP)”>

สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูง (IHEP) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Chinese Academy of Sciences เป็นห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่ใหญ่ที่สุดในประเทศจีน โดยเป็นเจ้าภาพโครงการวิจัยสหสาขาวิชาชีพที่ครอบคลุมฟิสิกส์อนุภาคเบื้องต้น ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ตลอดจนการวางแผน การออกแบบ และการก่อสร้างโครงการเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ ซึ่งรวมถึง China Spallation Neutron Source ซึ่งเปิดตัวในปี 2018 และ High Energy Photon Source ซึ่งมีกำหนดจะเปิดตัวเร็วๆ นี้ ออนไลน์ในปี 2025

ในขณะที่การลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานเชิงทดลองของ IHEP เพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา การพัฒนาและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการเรียนรู้ของเครื่องควอนตัมและเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็พร้อมที่จะให้ผลลัพธ์ที่กว้างขวางเช่นเดียวกันภายในโครงการวิจัยของ IHEP   

วิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ โซลูชั่นควอนตัม

ฟิสิกส์พลังงานสูงเป็นจุดที่ "วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่" พบกับ "ข้อมูลขนาดใหญ่" การค้นพบอนุภาคใหม่ๆ และการสำรวจกฎพื้นฐานของธรรมชาติเป็นความพยายามที่ก่อให้เกิดข้อมูลจำนวนมหาศาล Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN สร้างเพตาไบต์ (10¹⁵ จำนวนไบต์) ของข้อมูลในระหว่างการทดลอง ซึ่งทั้งหมดจะต้องได้รับการประมวลผลและวิเคราะห์ด้วยความช่วยเหลือของการประมวลผลแบบกริด ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานแบบกระจายที่สร้างเครือข่ายทรัพยากรการประมวลผลทั่วโลก

ด้วยวิธีนี้ Worldwide LHC Computing Grid ช่วยให้ชุมชนนักฟิสิกส์หลายพันคนสามารถเข้าถึงข้อมูล LHC ได้แบบเรียลไทม์ ตารางการคำนวณที่ซับซ้อนนั้นเป็นพื้นฐานของการค้นพบฮิกส์โบซอนที่ CERN ในปี 2012 รวมถึงความก้าวหน้าอื่น ๆ อีกนับไม่ถ้วนในการตรวจสอบแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคเพิ่มเติม

อย่างไรก็ตาม จุดเปลี่ยนอีกประการหนึ่งกำลังปรากฏขึ้น เมื่อพูดถึงการจัดเก็บ การวิเคราะห์ และการขุดข้อมูลขนาดใหญ่ในฟิสิกส์พลังงานสูง เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ความสว่างสูง (HL-LHC) ซึ่งคาดว่าจะเปิดดำเนินการในปี 2029 จะสร้าง "วิกฤติทางคอมพิวเตอร์" เนื่องจากความส่องสว่างในตัวของเครื่อง โดยเป็นสัดส่วนกับจำนวนการชนกันของอนุภาคที่เกิดขึ้นในระยะเวลาที่กำหนด จะเพิ่มขึ้น 10 เท่าเมื่อเทียบกับค่าการออกแบบของ LHC เช่นเดียวกับสตรีมข้อมูลที่สร้างโดยการทดลอง HL-LHC

CERN QTI: ควบคุมวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่เพื่อเร่งนวัตกรรมควอนตัม

ในระยะเวลาอันใกล้นี้ "พื้นฐานการคำนวณ" โฉมใหม่จะเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรับมือกับความต้องการข้อมูลที่เพิ่มสูงขึ้นของ HL-LHC ซึ่งเป็นพื้นฐานที่จะต้องใช้หน่วยประมวลผลกราฟิกในวงกว้างสำหรับการจำลองแบบขนานขนาดใหญ่ การบันทึกข้อมูล และการประมวลผลใหม่ รวมถึงแอปพลิเคชันคลาสสิกของการเรียนรู้ของเครื่อง ในส่วนของ CERN ยังได้กำหนดแผนงานระยะกลางและระยะยาวที่รวบรวมชุมชนฟิสิกส์พลังงานสูงและเทคโนโลยีควอนตัมผ่านโครงการริเริ่มเทคโนโลยีควอนตัมของ CERN (QTI) ซึ่งถือเป็นการตระหนักว่าประสิทธิภาพการประมวลผลก้าวกระโดดอีกครั้งกำลังมาถึง ด้วยการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมและเทคโนโลยีเครือข่ายควอนตัม

กลับไปสู่พื้นฐานควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัม ดังที่ชื่อบอกเป็นนัย ใช้ประโยชน์จากหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม เช่นเดียวกับคอมพิวเตอร์คลาสสิกซึ่งอาศัยบิตไบนารี่ที่รับค่าเป็น 0 หรือ 1 คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ประโยชน์จากบิตไบนารี่ควอนตัม แต่เป็นการซ้อนทับของสถานะ 0 และ 1 การซ้อนทับนี้ควบคู่ไปกับการพันกันของควอนตัม (ความสัมพันธ์ระหว่างบิตของควอนตัม) โดยหลักการแล้วช่วยให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณบางประเภทได้เร็วกว่าเครื่องจักรแบบดั้งเดิมอย่างมาก ตัวอย่างเช่น การจำลองควอนตัมที่ใช้ในด้านต่างๆ ของเคมีควอนตัมและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาโมเลกุล

แม้ว่าโอกาสด้านวิทยาศาสตร์และเศรษฐกิจในวงกว้างจะดูน่าสนใจ แต่ปัญหาใหญ่ด้านวิศวกรรมอย่างหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในระยะเริ่มแรกก็คือความอ่อนแอต่อเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม คิวบิตถูกรบกวนได้ง่ายเกินไป เช่น จากการโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กของโลกหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลงทางจากโทรศัพท์มือถือและเครือข่าย WiFi การโต้ตอบกับรังสีคอสมิกอาจเป็นปัญหาได้ เช่นเดียวกับการรบกวนระหว่างคิวบิตที่อยู่ใกล้เคียง

<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="ฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ นักวิทยาศาสตร์ของ IHEP กำลังทำงานเพื่อ "ค้นพบ" อนุภาคแปลกใหม่ Zc(3900) โดยใช้การเรียนรู้ของเครื่องควอนตัม อนุภาคมูลฐานซึ่งเป็นสถานะเตตร้าควาร์กแรกที่สังเกตได้จากการทดลอง ถูกค้นพบในปี 2013 โดยเครื่องตรวจจับ BESIII (แสดงไว้ที่นี่) ที่เครื่องชนอิเล็กตรอนปักกิ่ง-โพซิตรอนของ IHEP (มารยาท: IHEP)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -พื้นฐานวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์ world-2.jpg”>

ทางออกที่ดีที่สุด - กลยุทธ์ที่เรียกว่าการแก้ไขข้อผิดพลาด - เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บข้อมูลเดียวกันในหลาย ๆ คิวบิต เพื่อให้ตรวจพบและแก้ไขข้อผิดพลาดเมื่อคิวบิตอย่างน้อยหนึ่งคิวบิตได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวน ปัญหาของสิ่งที่เรียกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดคือข้อกำหนดสำหรับคิวบิตจำนวนมาก (ในพื้นที่หลายล้าน) ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ที่จะนำไปใช้กับสถาปัตยกรรมควอนตัมขนาดเล็กรุ่นปัจจุบัน

ในทางกลับกัน ผู้ออกแบบคอมพิวเตอร์ Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) ในปัจจุบันสามารถยอมรับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนตามที่เป็นอยู่ หรือกู้คืนข้อผิดพลาดบางส่วนโดยใช้อัลกอริทึม กล่าวคือ โดยไม่ต้องเพิ่มจำนวนคิวบิต ในกระบวนการที่เรียกว่าการลดข้อผิดพลาด เป็นที่ทราบกันดีว่ามีอัลกอริธึมหลายอย่างที่ให้ความยืดหยุ่นต่อสัญญาณรบกวนในคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็ก เช่น “ความได้เปรียบของควอนตัม” อาจสังเกตได้ในการใช้งานฟิสิกส์พลังงานสูงเฉพาะ แม้ว่าจะมีข้อจำกัดโดยธรรมชาติของคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นปัจจุบันก็ตาม

แนวคำถามประการหนึ่งที่ IHEP มุ่งเน้นไปที่การจำลองควอนตัม โดยประยุกต์แนวคิดที่ Richard Feynman นำเสนอแต่แรกเริ่มเกี่ยวกับการใช้อุปกรณ์ควอนตัมเพื่อจำลองวิวัฒนาการเวลาของระบบควอนตัม ตัวอย่างเช่น ในโครโมไดนามิกส์ควอนตัมแบบตาข่าย (QCD) สำหรับบริบท แบบจำลองมาตรฐานอธิบายปฏิสัมพันธ์พื้นฐานทั้งหมดระหว่างอนุภาคมูลฐาน นอกเหนือจากแรงโน้มถ่วง กล่าวคือ การรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงแรงเข้าด้วยกัน ด้วยวิธีนี้ แบบจำลองประกอบด้วยสองชุดของทฤษฎีสนามควอนตัมเกจที่เรียกว่า: แบบจำลองกลาโชว์–ไวน์เบิร์ก–ซาลาม (ให้คำอธิบายที่เป็นหนึ่งเดียวของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อน) และ QCD (สำหรับพลังแรง)

โดยทั่วไปเป็นกรณีที่ทฤษฎีสนามควอนตัมเกจไม่สามารถแก้ไขได้ในเชิงวิเคราะห์ โดยการคาดการณ์ส่วนใหญ่สำหรับการทดลองได้มาจากวิธีการประมาณการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง (หรือที่เรียกว่าการก่อกวน) ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ของเจ้าหน้าที่ IHEP กำลังทำงานในการจำลองสนามเกจด้วยวงจรควอนตัมโดยตรงภายใต้เงื่อนไขที่ไม่ซับซ้อน (เช่น ในมิติอวกาศ-เวลาที่ลดลง หรือโดยการใช้กลุ่มจำกัดหรือวิธีพีชคณิตอื่นๆ) วิธีการดังกล่าวเข้ากันได้กับการวนซ้ำของคอมพิวเตอร์ NISQ ในปัจจุบัน และแสดงถึงงานพื้นฐานสำหรับการนำ Lattice QCD ไปใช้ให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้

การเรียนรู้ของเครื่อง: วิธีควอนตัม

หัวข้อการวิจัยควอนตัมอีกรูปแบบหนึ่งที่ IHEP เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ของเครื่องควอนตัม ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสี่แนวทางที่แตกต่างกัน: CC, CQ, QC, QQ (ด้วย C – คลาสสิก; Q – ควอนตัม) ในแต่ละกรณี ตัวอักษรตัวแรกสอดคล้องกับประเภทข้อมูลและตัวอักษรหลังตรงกับประเภทของคอมพิวเตอร์ที่ใช้อัลกอริทึม ตัวอย่างเช่น โครงการ CC ใช้ข้อมูลคลาสสิกและคอมพิวเตอร์คลาสสิกอย่างเต็มที่ แม้ว่าจะรันอัลกอริธึมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากควอนตัมก็ตาม

อย่างไรก็ตาม กรณีการใช้งานที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่กำลังดำเนินการอยู่ที่ IHEP นั้นเกี่ยวข้องกับหมวดหมู่ CQ ของการเรียนรู้ของเครื่อง โดยที่ประเภทข้อมูลแบบคลาสสิกได้รับการแมปและฝึกฝนในคอมพิวเตอร์ควอนตัม แรงจูงใจที่นี่คือโดยการใช้ประโยชน์จากพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม – พื้นที่ฮิลเบิร์ตขนาดใหญ่ การซ้อนทับและการพัวพัน – คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถเรียนรู้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นจากชุดข้อมูลขนาดใหญ่เพื่อปรับวิธีการเรียนรู้ของเครื่องจักรที่เป็นผลลัพธ์ให้เหมาะสมที่สุด

<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="การติดตามอนุภาค นักวิทยาศาสตร์ของ IHEP เชื่อว่าการคำนวณด้วยควอนตัมจะช่วยปรับปรุงวิธีการสร้างแทร็กใหม่ในเครื่องเร่งอนุภาครุ่นต่อไป เช่น HL-LHC ด้านบน: Hideki Okawa (ขวา), Jiaheng Zou (ยืน) และ Xiaozhong Huang (ซ้าย) ประเมินแทร็กอนุภาคที่สร้างขึ้นใหม่ซึ่งสร้างขึ้นด้วยคอมพิวเตอร์ Origin Quantum Wuyuan ซึ่งเรียกว่า "คอมพิวเตอร์ควอนตัมเชิงปฏิบัติเครื่องแรกของจีน" (มารยาท: IHEP)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -พื้นฐานวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์โลก3.jpg”>

เพื่อให้เข้าใจถึงศักยภาพของข้อได้เปรียบด้านควอนตัม ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ของ IHEP กำลังทำงานเพื่อ "ค้นพบ" อนุภาคแปลกใหม่ Z_c(3900) โดยใช้การเรียนรู้ของเครื่องควอนตัม ในแง่ของเรื่องราวเบื้องหลัง: Z_c(3900) เป็นอนุภาคย่อยอะตอมแปลกปลอมที่ประกอบด้วยควาร์ก (ส่วนประกอบของโปรตอนและนิวตรอน) และเชื่อกันว่าเป็นสถานะเตตระควาร์กแรกที่สังเกตได้จากการทดลอง ซึ่งเป็นข้อสังเกตที่ในกระบวนการนี้ทำให้เราเข้าใจ QCD ลึกซึ้งยิ่งขึ้น อนุภาคนี้ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2013 โดยเครื่องตรวจจับปักกิ่งสเปกโตรมิเตอร์ (BESIII) ที่เครื่องชนอิเล็กตรอน-โพซิตรอนปักกิ่ง (BEPCII) โดยมีการสังเกตการณ์อย่างอิสระโดยการทดลองของเบลล์ที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์อนุภาค KEK ของญี่ปุ่น

นวัตกรรมทดสอบของ QUANT-NET: พลิกโฉมเครือข่ายควอนตัม

ในฐานะส่วนหนึ่งของการศึกษาวิจัยและพัฒนานี้ ทีมที่นำโดย Jiaheng Zou จาก IHEP และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยซานตงและมหาวิทยาลัยจี่หนาน ได้ปรับใช้สิ่งที่เรียกว่าอัลกอริทึม Quantum Support Vector Machine (ตัวแปรควอนตัมของอัลกอริทึมคลาสสิก) สำหรับการฝึกอบรมตาม ด้วยสัญญาณจำลองของ Z_c(3900) และเหตุการณ์ที่เลือกแบบสุ่มจากข้อมูล BESIII จริงเป็นพื้นหลัง

เมื่อใช้วิธีการเรียนรู้ด้วยเครื่องจักรควอนตัม ประสิทธิภาพจะแข่งขันได้เมื่อเทียบกับระบบการเรียนรู้ด้วยเครื่องจักรแบบคลาสสิก แม้ว่าจะมีความสำคัญอย่างยิ่งด้วยชุดข้อมูลการฝึกอบรมที่เล็กกว่าและฟีเจอร์ข้อมูลน้อยลง การตรวจสอบกำลังดำเนินไปอย่างต่อเนื่องเพื่อแสดงให้เห็นถึงความไวของสัญญาณที่เพิ่มขึ้นด้วยการคำนวณควอนตัม งานที่อาจชี้ทางไปสู่การค้นพบอนุภาคแปลกใหม่ในการทดลองในอนาคตในท้ายที่สุด

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/