地球与环境 2022-09-11 14:39


用粒子对撞机探索最小的距离尺度通常需要详细计算出粒子的光谱(最小的填充绿色圆圈)。图片来源:Benjamin Nachman,伯克利实验室

劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家克里斯蒂安·鲍尔、马拉特·弗雷蒂斯和本杰明·纳克曼通过橡树岭领导计算机构的量子计算用户程序,利用IBM Q量子计算机捕获了两个质子碰撞计算的一部分。该计算可以显示出一个出射粒子将发射出额外粒子的概率。

该团队最近发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文中,研究人员描述了他们如何使用一种名为有效场论的方法,将他们的整个理论分解为各个组成部分。最终,他们开发了一种量子算法,允许在量子计算机上对其中一些组件进行计算,而将其他计算留给经典计算机。

“对于一个接近自然的理论,我们展示了它在原则上是如何工作的。然后我们采用了该理论的一个非常简化的版本,并在量子计算机上进行了明确的计算,”Nachman说。

伯克利实验室团队的目标是通过观察实验室环境中的高能粒子碰撞,如瑞士日内瓦的大型强子对撞机,来揭示自然界中最小的构建模块。研究小组正在通过计算将预测结果与实际碰撞碎片进行比较,来探索这些碰撞中会发生什么。

Nachman说:“这类计算的难点之一是我们想要描述大范围的能量。”“我们希望通过分析飞进我们探测器的相应粒子,来描述能量最高的过程,甚至是能量最低的过程。”

仅使用量子计算机来解决这类计算需要大量的量子比特,这远远超出了目前可用的量子计算资源。该团队可以用近似的方法在经典系统上计算这些问题,但这些方法忽略了重要的量子效应。因此,该团队旨在将计算分成不同的块,这些块要么非常适合经典系统,要么非常适合量子计算机。

该团队通过美国能源部橡树岭国家实验室OLCF的QCUP项目在IBM Q上进行了实验,以验证他们开发的量子算法在小范围内重现了预期的结果,仍然可以用经典计算机进行计算和验证。

“这绝对是一个关键的演示问题,”纳克曼说。“对我们来说,重要的是我们要从理论上描述这些粒子的性质,然后在量子计算机上实际实现它们的一个版本。在量子计算机上运行时出现的许多挑战在理论上是不会发生的。我们的算法是规模化的,所以当我们获得更多的量子资源时,我们将能够进行传统方法无法进行的计算。”

该团队还致力于使量子计算机可用,这样它们就可以进行他们希望进行的科学研究。量子计算机是有噪声的,这些噪声会给计算带来误差。因此,团队还部署了他们在以前的工作中开发的错误缓解技术。

接下来,该团队希望为他们的问题添加更多维度,将他们的空间分解为更少的点,并扩大问题的规模。最终,他们希望在量子计算机上进行传统计算机无法实现的计算。

Nachman说:“通过ORNL的IBM Q协议提供的量子计算机大约有100个量子比特,所以我们应该能够扩展到更大的系统尺寸。”

研究人员也希望放松他们的近似值,转向更接近自然的物理问题,这样他们就可以进行比概念验证更多的计算。

该团队在能源部高能物理科学办公室的资助下进行了IBM Q计算,这是量子信息科学启用发现计划(QuantISED)的一部分。