Viện Vật lý Năng lượng Cao (IHEP) của Trung Quốc tại Bắc Kinh đang đi tiên phong trong các phương pháp tiếp cận đổi mới trong điện toán lượng tử và học máy lượng tử để mở ra những con đường nghiên cứu mới trong chương trình vật lý hạt của mình, cũng như Hideki Okawa, Lý Đông và Quân Cao giải thích
Viện Vật lý Năng lượng Cao (IHEP), một phần của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, là phòng thí nghiệm khoa học cơ bản lớn nhất ở Trung Quốc. Nó tổ chức một chương trình nghiên cứu đa ngành bao gồm vật lý hạt cơ bản, vật lý thiên văn cũng như lập kế hoạch, thiết kế và xây dựng các dự án máy gia tốc quy mô lớn – bao gồm Nguồn neutron va đập Trung Quốc, được ra mắt vào năm 2018 và Nguồn Photon năng lượng cao, sắp ra mắt. trực tuyến vào năm 2025.
Trong khi đầu tư vào cơ sở hạ tầng thử nghiệm của IHEP đã tăng mạnh trong 20 năm qua, việc phát triển và ứng dụng công nghệ máy học lượng tử và điện toán lượng tử hiện đã sẵn sàng mang lại kết quả sâu rộng tương tự trong chương trình nghiên cứu IHEP.
Khoa học lớn, giải pháp lượng tử
Vật lý năng lượng cao là nơi “khoa học lớn” gặp “dữ liệu lớn”. Khám phá các hạt mới và thăm dò các định luật cơ bản của tự nhiên là những nỗ lực tạo ra khối lượng dữ liệu đáng kinh ngạc. Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN tạo ra petabyte (1015 byte) dữ liệu trong quá trình chạy thử nghiệm – tất cả đều phải được xử lý và phân tích với sự trợ giúp của điện toán lưới, một cơ sở hạ tầng phân tán kết nối các tài nguyên điện toán trên toàn thế giới.
Bằng cách này, Lưới điện toán LHC toàn cầu mang đến cho cộng đồng hàng nghìn nhà vật lý quyền truy cập gần như theo thời gian thực vào dữ liệu LHC. Lưới điện toán phức tạp đó là nền tảng cho khám phá mang tính bước ngoặt về boson Higgs tại CERN vào năm 2012 cũng như vô số tiến bộ khác để nghiên cứu sâu hơn về Mô hình Chuẩn của vật lý hạt.
Tuy nhiên, một điểm uốn khác đang xuất hiện khi nói đến việc lưu trữ, phân tích và khai thác dữ liệu lớn trong vật lý năng lượng cao. Máy Va chạm Hadron Lớn Độ sáng Cao (HL-LHC), dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2029, sẽ tạo ra một “tiếng nổ máy tính” do độ sáng tích hợp của máy, tỷ lệ thuận với số lượng va chạm hạt xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định , sẽ tăng theo hệ số 10 so với giá trị thiết kế của LHC – cũng như các luồng dữ liệu được tạo ra bởi các thí nghiệm HL-LHC.
CERN QTI: khai thác khoa học lớn để tăng tốc đổi mới lượng tử
Trong thời gian tới, sẽ cần có một “đường cơ sở điện toán” có giao diện mới để đáp ứng nhu cầu dữ liệu tăng vọt của HL-LHC - một đường cơ sở sẽ yêu cầu khai thác quy mô lớn các đơn vị xử lý đồ họa để mô phỏng, ghi và tái xử lý dữ liệu song song trên quy mô lớn cũng như các ứng dụng cổ điển của học máy. Về phần mình, CERN cũng đã thiết lập lộ trình trung và dài hạn nhằm tập hợp các cộng đồng vật lý năng lượng cao và công nghệ lượng tử thông qua Sáng kiến Công nghệ Lượng tử CERN (QTI) – thừa nhận rằng một bước nhảy vọt khác về hiệu suất điện toán đang được xem xét với việc ứng dụng công nghệ điện toán lượng tử và mạng lượng tử.
Quay lại vấn đề cơ bản về lượng tử
Máy tính lượng tử, đúng như tên gọi, khai thác các nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử. Tương tự như máy tính cổ điển dựa vào các bit nhị phân lấy giá trị 0 hoặc 1, máy tính lượng tử khai thác các bit nhị phân lượng tử nhưng ở dạng chồng chất của trạng thái 0 và 1. Sự chồng chất này, cùng với sự vướng víu lượng tử (tương quan giữa các bit lượng tử), về nguyên tắc cho phép máy tính lượng tử thực hiện một số loại phép tính nhanh hơn đáng kể so với máy cổ điển – ví dụ, mô phỏng lượng tử được áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau của hóa học lượng tử và động học phản ứng phân tử.
Trong khi các cơ hội cho khoa học và nền kinh tế rộng lớn hơn có vẻ hấp dẫn, một trong những vấn đề kỹ thuật lớn liên quan đến máy tính lượng tử giai đoạn đầu là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn môi trường. Ví dụ, Qubit rất dễ bị xáo trộn bởi sự tương tác của chúng với từ trường Trái đất hoặc trường điện từ lạc từ điện thoại di động và mạng WiFi. Tương tác với các tia vũ trụ cũng có thể gặp vấn đề, cũng như sự giao thoa giữa các qubit lân cận.
Giải pháp lý tưởng – một chiến lược được gọi là sửa lỗi – liên quan đến việc lưu trữ cùng một thông tin trên nhiều qubit, sao cho các lỗi sẽ được phát hiện và sửa khi một hoặc nhiều qubit bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Vấn đề với cái gọi là máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi này là yêu cầu của chúng đối với số lượng lớn qubit (trong khoảng hàng triệu qubit) – điều không thể thực hiện được trong các kiến trúc lượng tử quy mô nhỏ thế hệ hiện tại.
Thay vào đó, các nhà thiết kế máy tính Lượng tử quy mô trung gian ồn ào (NISQ) ngày nay có thể chấp nhận hiệu ứng nhiễu như hiện tại hoặc khôi phục một phần lỗi theo thuật toán – tức là không cần tăng số lượng qubit – trong một quy trình được gọi là giảm thiểu lỗi. Một số thuật toán được biết là mang lại khả năng phục hồi chống nhiễu trong máy tính lượng tử quy mô nhỏ, chẳng hạn như “lợi thế lượng tử” có thể được quan sát thấy trong các ứng dụng vật lý năng lượng cao cụ thể bất chấp những hạn chế cố hữu của máy tính lượng tử thế hệ hiện tại.
Một hướng nghiên cứu như vậy tại IHEP tập trung vào mô phỏng lượng tử, áp dụng các ý tưởng do Richard Feynman đưa ra ban đầu xung quanh việc sử dụng các thiết bị lượng tử để mô phỏng sự tiến hóa theo thời gian của các hệ lượng tử – ví dụ, trong sắc động lực học lượng tử mạng (QCD). Đối với bối cảnh, Mô hình Chuẩn mô tả tất cả các tương tác cơ bản giữa các hạt cơ bản ngoại trừ lực hấp dẫn – tức là liên kết các lực điện từ, lực yếu và lực mạnh với nhau. Theo cách này, mô hình này bao gồm hai bộ lý thuyết trường đo lượng tử: mô hình Glashow–Weinberg–Salam (cung cấp một mô tả thống nhất về lực điện từ và lực yếu) và QCD (cho lực mạnh).
Nhìn chung, các lý thuyết trường đo lượng tử không thể giải được bằng phương pháp phân tích, với hầu hết các dự đoán cho các thí nghiệm bắt nguồn từ các phương pháp xấp xỉ cải tiến liên tục (còn được gọi là nhiễu loạn). Hiện tại, các nhà khoa học của nhân viên IHEP đang nghiên cứu mô phỏng trực tiếp các trường đo bằng mạch lượng tử trong các điều kiện đơn giản hóa (ví dụ: ở các chiều không-thời gian thu gọn hoặc bằng cách sử dụng các nhóm hữu hạn hoặc các phương pháp đại số khác). Những cách tiếp cận như vậy tương thích với các phiên bản hiện tại của máy tính NISQ và thể hiện công việc nền tảng để triển khai QCD mạng hoàn chỉnh hơn trong tương lai gần.
Trình mô phỏng lượng tử QuIHEP
Là một phần mở rộng của chương trình R&D lượng tử đầy tham vọng của mình, IHEP đã thành lập QuIHEP, một nền tảng mô phỏng điện toán lượng tử cho phép các nhà khoa học và sinh viên phát triển và tối ưu hóa thuật toán lượng tử cho các nghiên cứu về vật lý năng lượng cao.
Để rõ ràng, trình mô phỏng lượng tử là các khung điện toán cổ điển cố gắng mô phỏng hoặc "mô phỏng" hoạt động của máy tính lượng tử. Mặt khác, mô phỏng lượng tử sử dụng phần cứng điện toán lượng tử thực tế để mô phỏng sự tiến hóa theo thời gian của một hệ lượng tử – ví dụ như các nghiên cứu QCD mạng tại IHEP (xem văn bản chính).
Do đó, QuIHEP cung cấp môi trường phát triển tương tác và thân thiện với người dùng, khai thác các cụm điện toán hiệu suất cao hiện có để mô phỏng lên tới khoảng 40 qubit. Nền tảng này cung cấp một giao diện tổng hợp cho mục đích giáo dục và giới thiệu (ví dụ: minh họa cách các mạch lượng tử được xây dựng một cách trực quan). Môi trường phát triển dựa trên phần mềm nguồn mở Jupyter và kết hợp với hệ thống xác thực người dùng IHEP.
Trong thời gian tới, QuIHEP sẽ liên kết với các tài nguyên điện toán lượng tử được phân phối trên khắp Trung Quốc để thiết lập cơ sở hạ tầng nghiên cứu hài hòa. Mục tiêu: hỗ trợ hợp tác giữa ngành và học viện cũng như giáo dục và đào tạo về khoa học và kỹ thuật lượng tử.
Học máy: con đường lượng tử
Một chủ đề nghiên cứu lượng tử khác tại IHEP liên quan đến học máy lượng tử, có thể được nhóm thành bốn phương pháp riêng biệt: CC, CQ, QC, QQ (với C – cổ điển; Q – lượng tử). Trong mỗi trường hợp, chữ cái đầu tiên tương ứng với kiểu dữ liệu và chữ cái sau tương ứng với loại máy tính chạy thuật toán. Ví dụ, sơ đồ CC sử dụng đầy đủ dữ liệu cổ điển và máy tính cổ điển, mặc dù chạy các thuật toán lấy cảm hứng từ lượng tử.
Tuy nhiên, trường hợp sử dụng hứa hẹn nhất đang được IHEP theo đuổi liên quan đến danh mục CQ của học máy, trong đó kiểu dữ liệu cổ điển được ánh xạ và huấn luyện trong máy tính lượng tử. Động lực ở đây là bằng cách khai thác các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử – không gian Hilbert rộng lớn, sự chồng chất và sự vướng víu – máy tính lượng tử sẽ có thể học hiệu quả hơn từ các bộ dữ liệu quy mô lớn để tối ưu hóa các phương pháp học máy thu được.
Để hiểu được tiềm năng lợi thế lượng tử, các nhà khoa học IHEP hiện đang nghiên cứu “tái khám phá” hạt kỳ lạ Zc(3900) sử dụng máy học lượng tử. Về cốt truyện: Zc(3900) là một hạt hạ nguyên tử kỳ lạ được tạo thành từ các quark (khối xây dựng của proton và neutron) và được cho là trạng thái tetraquark đầu tiên được quan sát bằng thực nghiệm – một quan sát mà, trong quá trình đó, đã giúp chúng ta hiểu sâu hơn về QCD. Hạt này được phát hiện vào năm 2013 bởi máy dò Quang phổ Bắc Kinh (BESIII) tại Máy Va chạm Electron–Positron Bắc Kinh (BEPCII), với sự quan sát độc lập của thí nghiệm Belle tại phòng thí nghiệm vật lý hạt KEK của Nhật Bản.
Những cải tiến đã được thử nghiệm của QUANT-NET: hình dung lại mạng lượng tử
Là một phần của nghiên cứu R&D này, một nhóm do Jiaheng Zou của IHEP dẫn đầu và bao gồm các đồng nghiệp từ Đại học Sơn Đông và Đại học Tế Nam, đã triển khai cái gọi là thuật toán Máy vectơ hỗ trợ lượng tử (một biến thể lượng tử của thuật toán cổ điển) cho quá trình đào tạo. với tín hiệu mô phỏng của Zc(3900) và các sự kiện được chọn ngẫu nhiên từ dữ liệu BESIII thực làm nền.
Khi sử dụng phương pháp học máy lượng tử, hiệu suất có thể cạnh tranh so với các hệ thống học máy cổ điển – tuy nhiên, điều quan trọng là với tập dữ liệu huấn luyện nhỏ hơn và ít tính năng dữ liệu hơn. Các cuộc điều tra đang được tiến hành để chứng minh độ nhạy tín hiệu được nâng cao bằng điện toán lượng tử, công việc cuối cùng có thể mở đường cho việc phát hiện ra các hạt kỳ lạ mới trong các thí nghiệm trong tương lai.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/ihep-seeks-quantum-opportunities-to-fast-track-fundamental-science/
