[論文レビュー] Opportunities for Nuclear Physics & Quantum Information Science

Ian C. Cloët, Matthew R. Dietrich+24 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Scientific Computing and Data Management被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、核物理学（NP）と量子情報科学（QIS）の間の協力を促進するための5つの戦略的研究機会を特定している。これには、共同量子コンピューティング、量子センシング、人材育成イニシアチブが含まれる。NPは、量子シミュレーターやセンサーなどのQIS技術を活用して、現在の古典的計算では解決不能な多体問題を解くことができるが、一方でQISはNPの理論的・実験的専門性から恩恵を受け、両分野における実用的応用の加速が可能になる。

ABSTRACT

This whitepaper is an outcome of the workshop Intersections between Nuclear Physics and Quantum Information held at Argonne National Laboratory on 28-30 March 2018 [www.phy.anl.gov/npqi2018/]. The workshop brought together 116 national and international experts in nuclear physics and quantum information science to explore opportunities for the two fields to collaborate on topics of interest to the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science, Office of Nuclear Physics, and more broadly to U.S. society and industry. The workshop consisted of 22 invited and 10 contributed talks, as well as three panel discussion sessions. Topics discussed included quantum computation, quantum simulation, quantum sensing, nuclear physics detectors, nuclear many-body problem, entanglement at collider energies, and lattice gauge theories.

研究の動機と目的

• 古典的計算では不可能な方法で、核多体物理学および量子色力学の困難な課題に、量子コンピューティングおよびシミュレーション技術を適用すること。
• 量子技術の進展を活用して、核物理学実験のための新しい量子センサーおよび検出手法を開発すること。
• 革新を促進するため、核物理学および量子情報科学の両分野に精通した次世代研究者を育成するためのクロスディシプリナリーな人材を構築すること。
• ワークショップ、スクール、共有情報プラットフォームを通じて、NPとQISのコミュニティ間のコミュニケーションおよび協力を向上させること。
• 核物理学およびQIS理論における量子技術の初期段階の応用を可能にする、戦略的で調整された研究プログラムを確立すること。

提案手法

• 大学、国立研究所、産業界を横断する核物理学と量子情報科学の研究チームを結びつける共同資金プログラムを設立すること。
• 核多体系および格子ゲージ理論に特化した量子アルゴリズムおよびシミュレーション技術の開発を支援すること。
• 高エネルギー粒子や同位体を用いて、ゴーストイメージングやエンタングルメントベース検出などの量子センサーテクノロジーを発展させること。
• 量子コプロセッサを古典的データ分析パイプラインに統合し、量子アルゴリズムを用いて核物理学のデータ処理を高速化すること。
• オンライン配信を含む定期的なワークショップ、スクール、セミナーを実施し、分野横断的理解と協力を促進すること。
• NP-QIS連合を結成し、機会、求人、研究動向の共有を促進すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子コンピューティングおよび量子シミュレーションは、古典的計算では不可能な方法で、核多体問題および量子色力学をどのように解決できるか？
• RQ2 弱い信号の検出や非侵襲的イメージングを可能にするなど、核物理学実験を向上させるために、どのような量子センサーテクノロジーを開発または適応できるか？
• RQ3 エンタングルメントや重ね合わせといった量子情報科学の概念を、どのように核検出器の感度および分解能を向上させるために活用できるか？
• RQ4 核物理学と量子情報科学の両方の専門知識を有する次世代研究者を育成するための、最も効果的な道筋は何か？
• RQ5 学術機関、国立研究所、産業界との構造的な協力は、核物理学における量子技術の開発と実装をどのように加速できるか？

主な発見

• 量子コンピューティングは、現在の古典的手法では解決不能な複雑なゲージ場理論および核多体系をシミュレートする画期的な道筋を提供する。
• ゴーストイメージングやエンタングルメントに基づく量子センサーは、プローブに空間的分解能がなくても高エネルギー電子を用いたイメージングが可能な、新しい検出方式を可能にし、新たな実験的可能性を開く。
• 入出力のボトル neck を解消すれば、古典的データ分析パイプラインに量子コプロセッサを統合することで、核物理学のデータ処理が著しく高速化される可能性がある。
• 共同資金プログラムおよび人材育成イニシアチブは、両分野を先導するための、交差分野的イノベーションを可能にする十分な研究者を育成するために不可欠である。
• ワークショップ、スクール、NP-QIS連合は、コミュニティ間の理解を高め、長期的かつ生産的な協力を促進するために不可欠である。
• NPとQISの相乗効果はまだ完全に実現されていないが、共同理論、技術、教育への戦略的投資により、両分野における画期的な進展が実現可能になる。