将量子计算应用于粒子过程

将量子计算应用于粒子过程

从2018年开始的ATLAS粒子碰撞事件显示,显示了质子碰撞产生的粒子喷雾(橙色线)和检测器读数(正方形和长方形)。来源:ATLAS协作

劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一组研究人员使用量子计算机成功地模拟了高能物理实验中通常忽略的粒子碰撞的一个方面,例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。

他们开发的量子算法解释了部分粒子簇的复杂性,部分粒子簇是在粒子产生和衰变过程的碰撞中产生的复杂粒子爆发。

研究人员在《物理评论快报》2月10日在线发表的一项研究中指出,典型的用于模拟帕顿簇雨的经典算法,如流行的马尔科夫链蒙特卡罗算法,忽略了几个基于量子的效应,详细介绍了他们的量子算法。

“我们基本上表明你可以把帕顿淋浴与高效的量子计算机资源,“Christian Bauer说,谁是组长理论和量子计算作为首席研究员在伯克利实验室的物理学部门的努力,“我们有一些量子效应表明,很难描述在经典计算机,你可以描述量子计算机。”鲍尔领导了最近的研究。

他们的方法结合了量子计算和经典计算:量子计算仅用于经典计算无法解决的部分粒子碰撞,而经典计算用于解决粒子碰撞的所有其他方面。

研究人员构建了一个所谓的“玩具模型”,这是一种简化的理论,可以在实际的量子计算机上运行,同时仍然包含足够的复杂性,使经典方法无法模拟它。

“量子算法所做的就是在同一时间计算所有可能的结果,然后选出一个,”Bauer说。“随着数据越来越精确,我们的理论预测也需要越来越精确。在某一点上,这些量子效应变得足够大,它们真的很重要,”并且需要被解释。

在构造量子算法,研究人员考虑可能发生的不同粒子的过程和结果帕顿淋浴,占粒子状态,粒子发射历史排放是否发生,在淋浴时产生的粒子数,包括独立计数玻色子和费米子的两种类型。

量子计算机“同时计算了这些历史,并总结了每个中间阶段所有可能的历史,”鲍尔指出。

该研究小组使用了IBM Q约翰内斯堡芯片,这是一种拥有20个量子位元的量子计算机。每一个量子位,或量子位,都能够表示0、1,以及一种所谓的叠加状态,在这种状态下,它同时表示0和1。这种叠加使量子位与标准计算位相比具有独特的功能,标准计算位可以表示0或1。

研究人员用5个量子位构建了一个四步量子计算机电路,该算法需要48次操作。研究人员指出,量子计算机中的噪音可能是导致与量子模拟器结果不同的原因。

尽管该团队将量子计算应用于粒子对撞机数据的简化部分的开创性努力是有希望的,Bauer说他不期望量子计算机在几年内对高能物理领域有很大的影响——至少在硬件改进之前。

量子计算机需要更多的量子位元和更低的噪音才能有真正的突破,Bauer说。“这在很大程度上取决于机器改进的速度。”但他指出,要实现这一目标,需要付出巨大的、不断增长的努力,重要的是现在就开始考虑这些量子算法,为硬件领域即将到来的进步做好准备。

这种技术上的量子飞跃,是美国能源部支持的量子研发合作中心(collaborative quantum R&D center)的主要工作重点。伯克利实验室(Berkeley Lab)是量子系统加速器(quantum Systems Accelerator)的一部分。

随着硬件的改进,将有可能在量子算法中包含更多类型的玻色子和费米子,这将提高算法的准确性。

他说,这样的算法最终应该会在高能物理领域产生广泛影响,也可以在重离子对撞机实验中得到应用。

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投稿时间:2021-02-20  最后更新:2021-02-20

标签:量子   粒子   玻色子   费米   高能物理   研究人员   算法   实验室   过程   计算机   经典

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