Forscher planen die Zukunft des Einsatzes von Quantencomputern in der Teilchenphysik

Experten von CERN, DESY, IBM Quantum und anderen haben ein Whitepaper veröffentlicht, in dem sie Aktivitäten in der Teilchenphysik identifizieren, die von der Anwendung von Quantencomputertechnologien profitieren könnten

Letzte Woche veröffentlichten Forscher ein wichtiges Weißbuch, in dem sie Aktivitäten in der Teilchenphysik identifizierten, bei denen aufkeimende Quantencomputertechnologien eingesetzt werden könnten. Das von Experten von CERN, DESY, IBM Quantum und über 30 anderen Organisationen verfasste Papier ist jetzt als Vorabdruck verfügbar unter arXiv.

Da sich Quantencomputertechnologien rasch weiterentwickeln, legt das Papier dar, wo sie in der Teilchenphysik eingesetzt werden könnten, um bei der Bewältigung von Computerherausforderungen nicht nur im Zusammenhang mit dem ehrgeizigen Upgradeprogramm des Large Hadron Collider, sondern auch mit anderen Collidern und Niedrigenergieexperimenten weltweit zu helfen .

Das Papier wurde von einer Arbeitsgruppe erstellt, die auf der ersten ihrer Art „QT4HEP“-Konferenz im vergangenen November am CERN eingerichtet wurde. In den letzten acht Monaten haben die 46 Mitglieder dieser Arbeitsgruppe hart daran gearbeitet, Bereiche zu identifizieren, in denen Quantencomputertechnologien einen erheblichen Nutzen bringen könnten.

Die identifizierten Bereiche beziehen sich sowohl auf die theoretische als auch auf die experimentelle Teilchenphysik. Das Papier ordnet diese Bereiche dann „Problemformulierungen“ im Quantencomputing zu. Dies ist ein wichtiger Schritt, um sicherzustellen, dass die Teilchenphysik-Community gut aufgestellt ist, um vom enormen Potenzial bahnbrechender neuer Quantencomputer zu profitieren, wenn diese online gehen.

„Quantencomputing ist sehr vielversprechend, aber nicht jedes Problem der Teilchenphysik eignet sich für diese Art des Rechnens“, sagt Alberto Di Meglio, Leiter der CERN Quantum Technology Initiative (CERN QTI) und neben DESYs Karl einer der Hauptautoren des Papiers Jansen und Ivano Tavernelli von IBM Quantum. „Es ist wichtig sicherzustellen, dass wir bereit sind und die Bereiche genau identifizieren können, in denen diese Technologien das Potenzial haben, für unsere Gemeinschaft am nützlichsten zu sein.“

Was die theoretische Teilchenphysik betrifft, haben die Autoren vielversprechende Bereiche im Zusammenhang mit der Entwicklung der Quantenzustände, der Gittertheorie, Neutrino-Oszillationen und Quantenfeldtheorien im Allgemeinen identifiziert. Zu den betrachteten Anwendungen gehören Quantendynamik, hybride Quanten-/klassische Algorithmen für statische Probleme in der Gittereichtheorie, Optimierung und Klassifizierung.

Auf der experimentellen Seite haben die Autoren Bereiche im Zusammenhang mit der Jet- und Track-Rekonstruktion, der Extraktion seltener Signale, Problemen, die über das Standardmodell hinausgehen, Partonschauern und Experimentsimulation identifiziert. Diese werden dann auf Klassifizierungs-, Regressions-, Optimierungs- und Generierungsprobleme abgebildet.

Mitglieder der Arbeitsgruppe hinter diesem Papier werden nun mit der Auswahl konkreter Anwendungsfälle aus den im Papier aufgeführten Aktivitäten beginnen, die durch die Teilnahme von CERN und DESY am IBM Quantum Network und durch die Zusammenarbeit mit IBM Quantum im Rahmen seines „ 100×100-Herausforderung.“ IBM Quantum ist langjähriger Mitarbeiter des CERN QTI und des Center for Quantum Technologies and Applications (CQTA) bei DESY.

Im Rahmen der 100×100 Challenge von IBM wird das Unternehmen im Jahr 2024 ein Tool bereitstellen, mit dem erwartungstreue Observablen von Schaltkreisen mit 100 Qubits und Tiefen-100-Gate-Operationen berechnet werden können. Dies wird ein wichtiges Testfeld für die Weiterentwicklung vielversprechender ausgewählter Anwendungsfälle sowohl aus der Teilchenphysik als auch aus anderen Forschungsbereichen bieten .