Výskumníci v Nemecku publikovali dôležitú bielu knihu identifikujúcu aktivity v časticovej fyzike, kde by sa mohli uplatniť nové kvantové výpočtové technológie. S rýchlo sa zlepšujúcou kvantovou výpočtovou technikou sa v článku uvádza, kde by sa dala použiť v časticovej fyzike, aby sa pomohli riešiť výpočtové problémy súvisiace nielen s programom modernizácie veľkého hadrónového urýchľovača v CERN v Ženeve, ale aj s inými zrážačmi a experimentmi nízkou energiou po celom svete, vrátane niekoľkých, kde výskumné centrum DESY hrá hlavnú úlohu. Dokument, ktorý napísali odborníci z DESY’S Center for Quantum Technologies and Applications (CQTA) v Zeuthene, CERN, IBM Quantum a viac ako 30 ďalších organizácií, je teraz dostupný na arXiv.
Dokument vypracovala pracovná skupina vytvorená na prvej konferencii svojho druhu „QT4HEP“, ktorá sa konala v CERNe v novembri 2022. Za posledných osem mesiacov 46 ľudí v tejto pracovnej skupine tvrdo pracovalo na identifikácii oblastí, v ktorých by kvantová výpočtová technika mohla priniesť významný pokrok. Identifikované oblasti sa týkajú teoretickej aj experimentálnej časticovej fyziky. Článok mapuje tieto oblasti do „problémových formulácií“ v kvantových výpočtoch. Ide o dôležitý krok na zabezpečenie toho, aby komunita časticovej fyziky mala dobrú pozíciu, aby mohla ťažiť z obrovského potenciálu prelomových nových kvantových počítačov, keď sú online.
Ako uviedol teoretik častíc DESY Karl Jansen, riaditeľ CQTA v DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) v Zeuthene: „Pomocou kvantových výpočtov riešime problémy v týchto oblastiach, ktoré je veľmi ťažké alebo dokonca nemožné riešiť klasickými metódami. Týmto spôsobom môžeme preskúmať fyzické systémy, ku ktorým doteraz nemáme prístup.“
Z hľadiska teoretickej časticovej fyziky autori identifikujú sľubné oblasti súvisiace s javmi v reálnom čase, mriežkovou teóriou, osciláciami neutrín a dokonca aj teóriami kvantových polí vo všeobecnosti. Uvažované aplikácie zahŕňajú kvantovú dynamiku, hybridné kvantové/klasické algoritmy pre statické problémy v teórii mriežky, optimalizáciu a klasifikáciu.
Na experimentálnej strane autori identifikujú oblasti súvisiace s rekonštrukciou trysiek a tratí, extrakciou vzácnych signálov, problémami so štandardným modelom za a nad rámec, spŕškami partónov a simuláciou experimentu. Tieto sú potom mapované na problémy klasifikácie, regresie, optimalizácie a generovania. Tieto aplikácie by boli možné nielen pre experimenty s urýchľovačmi, ako je napríklad Veľký hadrónový urýchľovač, ale aj pre iné experimenty, kde je DESY hlboko zapojený, ako sú observatóriá astročasticovej fyziky, ako je IceCube na južnom póle a hľadanie kandidátov na častice tmavej hmoty, ako je ALPS II. v kampuse DESY v Hamburgu.
Ako uviedol Alberto Di Meglio, vedúci iniciatívy CERN Quantum Technology Initiative (CERN QTI) a popri Karl Jansen z DESY a Ivano Tavernelli z IBM Quantum, jeden z hlavných autorov článku: „Kvantové výpočty sú veľmi sľubné, ale nie každý problém v časticovej fyzike je vhodný pre tento spôsob výpočtov. Je dôležité zabezpečiť, aby sme boli pripravení a aby sme mohli presne identifikovať oblasti, v ktorých majú tieto technológie potenciál byť najužitočnejšie pre našu komunitu.“
Členovia pracovnej skupiny, ktorá stojí za týmto dokumentom, teraz začnú proces výberu konkrétnych prípadov použitia z aktivít uvedených v tomto dokumente, ktoré sa budú realizovať prostredníctvom účasti CERN a DESY v IBM Quantum Network a spolupráci s IBM Quantum v rámci svojej „100×100 Challenge“. IBM Quantum je dlhoročným prispievateľom do CERN QTI a CERN openlab, ako aj do CQTA v DESY.
IBM Quantum 100×100 Challenge ukáže, že spoločnosť v roku 2024 poskytne nástroj schopný vypočítať nezaujaté pozorovateľné hodnoty obvodov so 100 qubitmi a hĺbkovými 100 bránami. Poskytne to dôležité testovacie prostredie pre pokrok v sľubných vybraných prípadoch použitia z časticovej fyziky a iných oblastí výskumu.
CQTA je financovaná nemeckou spolkovou krajinou Brandenbursko (pozri DESY News: Brandenburg fördert Zentrum für Quantencomputing mit 12,8 Mio. Euro) a je súčasťou novej strategickej iniciatívy „DESY Quantum“. DESY Quantum zahŕňa výskum a vývoj, ako aj transfer technológií pre kvantové výpočty, kvantové materiály, kvantové riadenie a kvantové snímanie.
Viac informácií:
Quantum Computing for High-Energy Physics: State of the Art and Challenges. Summary of the QC4HEP Working Group; The QC4HEP Working Group; arXiv; DOI: 10.48550/arXiv.2307.03236
Zdroj: https://sciencebusiness.net; https://www.desy.de, zverejnené: 26. 7. 2023, autor: rpa
