IHEP temel bilimi hızlandırmak için kuantum fırsatları arıyor – Fizik Dünyası

<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="Biriktirmek için simüle edin IHEP yüksek performanslı bilgi işlem kümesi, QuIHEP kuantum simülatör platformunu destekleyen çeşitli bilgi işlem kaynaklarından biridir. (Nezaket: IHEP)”>

Çin Bilimler Akademisi'nin bir parçası olan Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü (IHEP), Çin'deki en büyük temel bilim laboratuvarıdır. Temel parçacık fiziği, astrofiziğin yanı sıra büyük ölçekli hızlandırıcı projelerinin planlanması, tasarımı ve inşasını kapsayan çok disiplinli bir araştırma programına ev sahipliği yapıyor - bunlar arasında 2018'de başlatılan Çin Spallation Nötron Kaynağı ve yakında çıkacak olan Yüksek Enerji Foton Kaynağı da var. 2025'te çevrimiçi.

IHEP'in deneysel altyapısına yapılan yatırım son 20 yılda önemli ölçüde artarken, kuantum makine öğrenimi ve kuantum hesaplama teknolojilerinin geliştirilmesi ve uygulanması artık IHEP araştırma programı kapsamında benzer şekilde geniş kapsamlı sonuçlar vermeye hazırlanıyor.   

Büyük bilim, kuantum çözümleri

Yüksek enerji fiziği “büyük bilim”in “büyük veri” ile buluştuğu yerdir. Yeni parçacıkları keşfetmek ve doğanın temel yasalarını araştırmak, inanılmaz miktarda veri üreten çabalardır. CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) petabayt (10¹⁵ Deneysel çalışmaları sırasında bayt) veri - bunların tümü, dünya çapında bilgi işlem kaynaklarını ağlayan dağıtılmış bir altyapı olan grid hesaplamanın yardımıyla işlenmeli ve analiz edilmelidir.

Bu şekilde, Dünya Çapındaki LHC Hesaplama Izgarası, binlerce fizikçiden oluşan bir topluluğa LHC verilerine neredeyse gerçek zamanlı erişim sağlar. Bu gelişmiş bilgi işlem ağı, 2012 yılında CERN'de Higgs bozonunun dönüm noktası niteliğindeki keşfinin yanı sıra parçacık fiziğinin Standart Modelini daha fazla araştırmaya yönelik sayısız diğer ilerlemeler için de temel teşkil etti.

Yüksek enerji fiziğinde büyük verilerin depolanması, analizi ve madenciliği söz konusu olduğunda başka bir dönüm noktası beliriyor. 2029'da faaliyete geçmesi beklenen Yüksek Parlaklıklı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (HL-LHC), makinenin entegre aydınlatması, belirli bir süre içinde meydana gelen parçacık çarpışmalarının sayısıyla orantılı olarak bir "bilgi işlem çatlağı" yaratacak. HL-LHC deneyleri tarafından oluşturulan veri akışları gibi, LHC'nin tasarım değerine kıyasla 10 kat artacaktır.

CERN QTI: kuantum inovasyonunu hızlandırmak için büyük bilimden yararlanılıyor

Yakın vadede, HL-LHC'nin artan veri talepleriyle başa çıkabilmek için yeni görünümlü bir "bilgi işlem temel çizgisine" ihtiyaç duyulacak; bu temel çizgi, büyük ölçüde paralel simülasyon, veri kaydı ve yeniden işleme için grafik işleme birimlerinin uygun ölçekte kullanılmasını gerektirecek. makine öğreniminin klasik uygulamalarının yanı sıra. CERN, kendi adına, CERN Kuantum Teknolojisi Girişimi (QTI) aracılığıyla yüksek enerji fiziği ve kuantum teknolojisi topluluklarını bir araya getiren orta ve uzun vadeli bir yol haritası oluşturdu; bu, bilgi işlem performansında başka bir sıçramanın ortaya çıktığının farkına varıldı. kuantum hesaplama ve kuantum ağ teknolojilerinin uygulanmasıyla.

Kuantum temellerine geri dön

Kuantum bilgisayarlar, adından da anlaşılacağı gibi, kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden yararlanır. 0 ya da 1 değerini alan ikili bitlere dayanan klasik bilgisayarlara benzer şekilde, kuantum bilgisayarlar kuantum ikili bitlerinden ancak 0 ve 1 durumlarının süperpozisyonu olarak yararlanır. Bu süperpozisyon, kuantum dolaşıklık (kuantum bitleri arasındaki korelasyonlar) ile birleştiğinde, prensip olarak kuantum bilgisayarlarının bazı hesaplama türlerini klasik makinelerden önemli ölçüde daha hızlı gerçekleştirmesini sağlar; örneğin, kuantum kimyası ve moleküler reaksiyon kinetiğinin çeşitli alanlarında uygulanan kuantum simülasyonları.

Bilim ve daha geniş anlamda ekonomi için fırsatlar zorlayıcı görünse de, erken aşamadaki kuantum bilgisayarlarla ilgili en büyük mühendislik sorunlarından biri, onların çevresel gürültüye karşı savunmasızlığıdır. Qubit'ler, örneğin Dünya'nın manyetik alanıyla etkileşimlerinden veya cep telefonları ve Wi-Fi ağlarından kaynaklanan başıboş elektromanyetik alanlarla çok kolay bozulur. Kozmik ışınlarla olan etkileşimler de komşu kubitler arasındaki girişimler gibi sorunlu olabilir.

<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="Büyük fizik IHEP bilim insanları kuantum makine öğrenimini kullanarak egzotik Zc(3900) parçacığını “yeniden keşfetmeye” çalışıyor. Deneysel olarak gözlemlenen ilk tetrakuark durumu olan atom altı parçacık, 2013 yılında IHEP'in Pekin Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısındaki BESIII detektörü (burada gösterilmektedir) tarafından keşfedildi. (Nezaket: IHEP)” title=”Resmi açılır pencerede açmak için tıklayın” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -temel-bilim-fizik-dünya-2.jpg”>

İdeal çözüm (hata düzeltme adı verilen bir strateji) aynı bilginin birden fazla kübitte depolanmasını içerir; böylece bir veya daha fazla kübit gürültüden etkilendiğinde hatalar tespit edilir ve düzeltilir. Bu sözde hataya dayanıklı kuantum bilgisayarlarla ilgili sorun, çok sayıda kübite (milyonlarca bölgede) ihtiyaç duymalarıdır; bu, mevcut nesil küçük ölçekli kuantum mimarilerinde uygulanması imkansız olan bir şeydir.

Bunun yerine, günümüzün Gürültülü Orta Ölçekli Kuantum (NISQ) bilgisayarlarının tasarımcıları ya gürültü etkilerini olduğu gibi kabul edebilir ya da hata azaltma olarak bilinen bir süreçte hataları algoritmik olarak (yani kübit sayısını artırmadan) kısmen kurtarabilir. Küçük ölçekli kuantum bilgisayarlarda gürültüye karşı dayanıklılık kazandıran çeşitli algoritmalar bilinmektedir; öyle ki, mevcut nesil kuantum bilgisayarların doğasında olan sınırlamalara rağmen "kuantum avantajı" belirli yüksek enerji fiziği uygulamalarında gözlemlenebilir.

IHEP'teki bu tür araştırmalardan biri, kuantum sistemlerinin zaman gelişimini simüle etmek için kuantum cihazlarının kullanımı etrafında Richard Feynman tarafından ortaya atılan fikirleri uygulayan kuantum simülasyonuna odaklanır - örneğin kafes kuantum renk dinamiği (QCD). Bağlam açısından, Standart Model yerçekimi kuvveti dışında temel parçacıklar arasındaki tüm temel etkileşimleri, yani elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetleri birbirine bağlamayı açıklar. Bu şekilde model, kuantum ölçüm alanı teorileri olarak adlandırılan iki grup içerir: Glashow-Weinberg-Salam modeli (elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerin birleşik bir tanımını sağlar) ve QCD (güçlü kuvvetler için).

Genellikle kuantum ölçüm alanı teorilerinin analitik olarak çözülemeyeceği bir durumdur; deneylere yönelik tahminlerin çoğu sürekli iyileştirme yaklaşım yöntemlerinden (pertürbasyon olarak da bilinir) türetilir. Şu anda, IHEP personeli bilim adamları, basitleştirilmiş koşullar altında (örneğin, azaltılmış uzay-zaman boyutlarında veya sonlu gruplar veya diğer cebirsel yöntemler kullanılarak) kuantum devreleriyle ölçüm alanlarını doğrudan simüle etmek üzerinde çalışıyorlar. Bu tür yaklaşımlar, NISQ bilgisayarlarının mevcut yinelemeleriyle uyumludur ve kafes QCD'nin yakın gelecekte daha eksiksiz bir şekilde uygulanması için temel çalışmayı temsil eder.

Makine öğrenimi: kuantum yolu

IHEP'teki bir başka kuantum araştırma teması, dört farklı yaklaşım halinde gruplandırılabilen kuantum makine öğrenimini içerir: CC, CQ, QC, QQ (C - klasik; Q - kuantum ile). Her durumda, ilk harf veri türüne, ikincisi ise algoritmayı çalıştıran bilgisayarın türüne karşılık gelir. Örneğin CC şeması, kuantumdan ilham alan algoritmalar çalıştırmasına rağmen klasik verileri ve klasik bilgisayarları tam olarak kullanıyor.

Bununla birlikte, IHEP'te takip edilen en umut verici kullanım senaryosu, klasik veri tipinin kuantum bilgisayarlarda eşlendiği ve eğitildiği makine öğreniminin CQ kategorisini içerir. Buradaki motivasyon, kuantum mekaniğinin temellerinden (büyük Hilbert uzayı, süperpozisyon ve dolaşma) faydalanarak, kuantum bilgisayarların, ortaya çıkan makine öğrenimi metodolojilerini optimize etmek için büyük ölçekli veri kümelerinden daha etkili bir şekilde öğrenebilmesidir.

<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="Parçacık takibi IHEP bilim insanları, kuantum hesaplamanın, HL-LHC gibi yeni nesil parçacık hızlandırıcılarda iz yeniden yapılandırma yöntemlerini kolaylaştırmaya yardımcı olacağına inanıyor. Üstte: Hideki Okawa (sağda), Jiaheng Zou (ayakta) ve Xiaozhong Huang (solda), "Çin'in ilk pratik kuantum bilgisayarı" olarak ilan edilen Origin Quantum Wuyuan bilgisayarıyla oluşturulan yeniden yapılandırılmış parçacık izlerini değerlendiriyor. (Nezaket: IHEP)” title=”Resmi açılır pencerede açmak için tıklayın” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track -temel-bilim-fizik-dünya-3.jpg”>

Kuantum avantajı potansiyelini anlamak için IHEP bilim insanları şu anda egzotik Z parçacığını “yeniden keşfetme” üzerinde çalışıyorlar._c(3900) kuantum makine öğrenimini kullanıyor. Arka hikaye açısından: Z_c(3900), kuarklardan (proton ve nötronların yapı taşları) oluşan egzotik bir atom altı parçacıktır ve deneysel olarak gözlemlenen ilk tetrakuark durumu olduğuna inanılmaktadır; bu, süreçte QCD anlayışımızı derinleştiren bir gözlemdir. Parçacık, 2013 yılında Pekin Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısındaki (BEPCII) Pekin Spektrometresi (BESIII) dedektörü tarafından, Japonya'nın KEK parçacık fiziği laboratuvarındaki Belle deneyinin bağımsız gözlemiyle keşfedildi.

QUANT-NET'in test ortamı yenilikleri: kuantum ağının yeniden tasarlanması

Bu Ar-Ge çalışmasının bir parçası olarak, IHEP'ten Jiaheng Zou liderliğindeki ve Shandong Üniversitesi ile Jinan Üniversitesi'nden meslektaşlarının da dahil olduğu bir ekip, eğitim için Kuantum Destek Vektör Makinesi algoritmasını (klasik bir algoritmanın kuantum varyantı) kullandı. simüle edilmiş Z sinyalleriyle_c(3900) ve arka plan olarak gerçek BESIII verilerinden rastgele seçilmiş olaylar.

Kuantum makine öğrenimi yaklaşımını kullanarak performans, klasik makine öğrenimi sistemleriyle karşılaştırıldığında rekabetçidir; ancak en önemlisi, daha küçük bir eğitim veri kümesi ve daha az veri özelliğiyle. Gelecekteki deneylerde yeni egzotik parçacıkların keşfedilmesine yol açabilecek kuantum hesaplamayla gelişmiş sinyal duyarlılığını göstermek için araştırmalar devam ediyor.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/