位于中國北京的高能物理研究所正在開拓量子計算和量子機(jī)器學(xué)習(xí)方面的創(chuàng)新方法，為其粒子物理研究開辟新的路徑。大川英希、李衛(wèi)東和曹俊對此進(jìn)行了解讀。
*高能所高性能計算集群（上圖）是支持量子模擬器平臺QuIHEP的計算資源之一。
中國科學(xué)院下屬的高能物理研究所是中國最大的基礎(chǔ)科學(xué)實驗室。該實驗室主持著多個學(xué)科領(lǐng)域的研究計劃，涵蓋基本粒子物理、天體物理、以及規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)基于大型加速器的項目，包括2018年啟用的中國散裂中子源，以及預(yù)計于2025年投入運(yùn)行的高能光源。
在過去的20年里，高能物理研究所的實驗基礎(chǔ)設(shè)施投資大幅增加。在這個背景下，對量子機(jī)器學(xué)習(xí)和量子計算技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用有望推動高能所的研究項目，并在其中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
大科學(xué)，量子解決方案
高能物理是“大科學(xué)”與“大數(shù)據(jù)”交叉的領(lǐng)域，探索新粒子和探究自然基本規(guī)律需要基于海量實驗數(shù)據(jù)。歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）在實驗運(yùn)行期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到了PB級（即10的15次方字節(jié)），所有這些數(shù)據(jù)必須依賴全球范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的分布式基礎(chǔ)設(shè)施，也就是格點計算，來進(jìn)行處理和分析。
通過這種方式，LHC計算網(wǎng)格為數(shù)千名物理學(xué)家提供了接近實時的LHC數(shù)據(jù)訪問。這個復(fù)雜的計算網(wǎng)格對于2012年由CERN發(fā)布的希格斯玻色子重大發(fā)現(xiàn)以及其他進(jìn)一步探索粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的諸多進(jìn)展至關(guān)重要。
然而，高能物理領(lǐng)域在存儲、分析和挖掘大數(shù)據(jù)方面即將迎來另一個轉(zhuǎn)折點。預(yù)計于2029年投入運(yùn)行的高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)（HL-LHC）將引發(fā)一場“計算危機(jī)”，因為該機(jī)器的積分亮度（與在給定時間內(nèi)發(fā)生的粒子碰撞數(shù)量成正比）將增加到LHC設(shè)計值的10倍，HL-LHC實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也將相應(yīng)增加。
在不遠(yuǎn)的將來，我們將需要一個新的“計算基準(zhǔn)”來應(yīng)對HL-LHC激增的數(shù)據(jù)需求。這個基準(zhǔn)將要求大規(guī)模采用圖形處理單元進(jìn)行繁重的并行模擬、數(shù)據(jù)記錄和再處理任務(wù)，以及經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用。與此同時，CERN也制定了中長期路線圖，通過歐洲核子研究中心量子技術(shù)倡議（QTI），將高能物理和量子技術(shù)社區(qū)聯(lián)系起來——也就是說CERN認(rèn)為，隨著量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，計算性能將再次迎來新的飛躍。
量子計算基礎(chǔ)
量子計算機(jī)，顧名思義，利用了量子力學(xué)的基本原理。經(jīng)典計算機(jī)依賴于二進(jìn)制，每一位取值為0或1，與之類似，量子計算機(jī)利用量子比特，但它是0態(tài)和1態(tài)的疊加態(tài)。這種疊加態(tài)，與量子糾纏（量子位之間的相關(guān)性）相結(jié)合，原則上使得量子計算機(jī)能夠比經(jīng)典計算機(jī)更快地執(zhí)行某些類型的計算，例如在量子化學(xué)和分子反應(yīng)動力學(xué)等各個領(lǐng)域中應(yīng)用的量子模擬。
盡管量子計算在科學(xué)和更廣泛經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的機(jī)會看起來引人注目，但仍處于早期的量子計算機(jī)卻面臨一個重要的工程難題，即它們對環(huán)境噪聲非常敏感。量子比特很容易受到干擾，例如可能會與地磁場、手機(jī)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的雜散電磁場產(chǎn)生相互作用。與宇宙射線的相互作用、鄰近量子比特之間的干擾也可能帶來問題。
理想的解決方案是一種稱為錯誤糾正的策略，它涉及在多個量子比特之間存儲相同的信息。這樣當(dāng)一個或多個量子比特受到噪聲影響時，系統(tǒng)能夠檢測并糾正這些錯誤。這些所謂的容錯量子計算機(jī)面臨的問題是它們需要大量的量子比特（數(shù)量達(dá)到百萬級），而這在當(dāng)前小規(guī)模量子架構(gòu)中是不可能實現(xiàn)的。
與此相反，當(dāng)今的“中等規(guī)模帶噪聲量子器件”（NISQ）計算機(jī)的設(shè)計者可以選擇接受噪聲效應(yīng)，或者通過算法部分地修復(fù)錯誤，即在不增加量子比特數(shù)量的情況下進(jìn)行錯誤抑制。已知有幾種算法能夠增強(qiáng)小規(guī)模量子計算機(jī)對噪聲的抵抗力，這意味著盡管當(dāng)代量子計算機(jī)存在固有限制，但在特定高能物理應(yīng)用中仍有可能看到“量子優(yōu)勢”。
高能所的一個研究方向聚焦于量子模擬，例如在格點量子色動力學(xué)（LQCD）中使用量子設(shè)備模擬量子系統(tǒng)時間演化。相關(guān)想法最初由理查德·費(fèi)曼提出。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了除了引力之外的所有基本粒子之間的基本相互作用，將電磁力、弱力和強(qiáng)力聯(lián)系在一起。這個模型包括兩組所謂的量子規(guī)范場理論：Glashow–Weinberg–Salam模型（提供了電磁力和弱力的統(tǒng)一描述），以及QCD（用于描述強(qiáng)力）。
通常情況下，量子規(guī)范場理論無法被解析求解，大多數(shù)實驗預(yù)測都來自于連續(xù)逼近的近似方法（也稱為微擾）。目前，高能所的科學(xué)家們正在研究在簡化條件下（例如，在降維的時空或利用有限群或其他代數(shù)方法）通過量子電路直接模擬規(guī)范場。這些方法與當(dāng)前的NISQ計算機(jī)兼容，并為將來更完整地實現(xiàn)格點量子色動力學(xué)奠定基礎(chǔ)。
機(jī)器學(xué)習(xí)：量子實現(xiàn)
IHEP的另一個量子研究主題涉及量子機(jī)器學(xué)習(xí)。量子機(jī)器學(xué)習(xí)可以分為四種不同的研究路徑：CC、CQ、QC、QQ（其中C表示經(jīng)典；Q表示量子）。在每種情況下，第一個字母對應(yīng)于數(shù)據(jù)類型，后面的字母對應(yīng)于運(yùn)行算法的計算機(jī)類型。例如，CC方案充分利用經(jīng)典數(shù)據(jù)和經(jīng)典計算機(jī)，盡管運(yùn)行的是量子啟發(fā)算法。
*高能所的科學(xué)家認(rèn)為，量子計算將有助于簡化HL-LHC等下一代粒子加速器的徑跡重建方法。上圖：大川英希（右）、鄒佳恒（站立）和黃曉忠（左）正在討論被稱為“中國第一臺實用量子計算機(jī)”的本源量子悟源計算機(jī)生成的重建粒子徑跡
然而，高能所追求的最有前景的應(yīng)用案例涉及機(jī)器學(xué)習(xí)的CQ類別。在這類機(jī)器學(xué)習(xí)中，經(jīng)典數(shù)據(jù)在量子計算中被映射和訓(xùn)練。這種做法的動機(jī)在于，通過充分利用龐大的希爾伯特空間、疊加和糾纏等量子力學(xué)的基本原理，量子計算機(jī)能夠更有效地從大規(guī)模數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)，從而優(yōu)化所產(chǎn)生的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。
為了探索量子優(yōu)勢的潛力，高能所的科學(xué)家目前正在使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)來“重新發(fā)現(xiàn)”奇異粒子Zc(3900)。Zc(3900)是一種由夸克（質(zhì)子和中子的基本組成部分）組成的奇異亞原子粒子。它被認(rèn)為是實驗觀察到的第一個四夸克態(tài)，加深了我們對QCD的理解。該粒子于2013年由北京電子正負(fù)子對撞機(jī)（BEPCII）上的北京譜儀（BESIII）探測器發(fā)現(xiàn)，同時也被日本KEK粒子物理實驗室的Belle實驗獨(dú)立觀測到。
*高能所的科學(xué)家們正在利用量子機(jī)器學(xué)習(xí)“重新發(fā)現(xiàn)”奇異粒子Zc（3900）。Zc(3900)于2013年由高能物理研究所北京正負(fù)電子對撞機(jī)的BESIII探測器（如上圖所示）發(fā)現(xiàn)，它是實驗觀察到的第一個四夸克態(tài)亞原子粒子。
在這項研究中，研究團(tuán)隊使用了所謂的量子支持向量機(jī)算法（經(jīng)典支持向量機(jī)算法的量子變種）。算法訓(xùn)練所需的信號數(shù)據(jù)集使用Zc(3900)的模擬數(shù)據(jù)、本底數(shù)據(jù)集使用從BESIII真實數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選的事例。該團(tuán)隊由高能所鄒佳恒領(lǐng)導(dǎo)，其中包括山東大學(xué)和濟(jì)南大學(xué)的同事。
通過量子機(jī)器學(xué)習(xí)的方法得到的結(jié)果與經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)得到的結(jié)果相比具有競爭力。需要特別說明的是，量子機(jī)器學(xué)習(xí)的研究過程中使用了更小的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和更少的數(shù)據(jù)特征。為了展示量子計算方法得到的信號靈敏度更高，團(tuán)隊正在進(jìn)行更深入的研究。這項工作最終可能為未來實驗中發(fā)現(xiàn)新的奇異粒子指明方向。
QuIHEP量子模擬平臺
作為其雄心勃勃的量子研發(fā)計劃的延伸，高能所建立了QuIHEP量子計算模擬平臺，使科研人員和學(xué)生能夠開發(fā)和優(yōu)化用于高能物理研究的量子算法。
量子模擬器是經(jīng)典計算框架，試圖模擬量子計算機(jī)的行為。而量子模擬則利用實際的量子計算硬件來模擬量子系統(tǒng)的時間演化，比如高能物理研究所的格點量子色動力學(xué)研究。
QuIHEP提供了一個用戶友好且互動式的開發(fā)環(huán)境，利用現(xiàn)有的高性能計算集群可模擬多達(dá)約40個量子比特。該平臺提供了一個可用于用戶培訓(xùn)和功能介紹的構(gòu)建界面（例如，直觀地演示了量子電路的構(gòu)建過程）。該開發(fā)環(huán)境基于Jupyter開源軟件，并集成了高能所的用戶驗證系統(tǒng)。
在不久的將來，QuIHEP將與中國境內(nèi)的分布式量子計算資源建立聯(lián)系，建立一個協(xié)調(diào)一致的研究基礎(chǔ)設(shè)施。其目標(biāo)是支持產(chǎn)學(xué)研合作，推動量子科學(xué)與工程方面的培訓(xùn)和應(yīng)用研究。
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