[論文レビュー] Quantum Information Science and Technology for Nuclear Physics. Input into U.S. Long-Range Planning, 2023

D. Beck, J. Carlson+99 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

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ひとこと要約

このホワイトペーパーは、米国における核物理学研究への量子情報科学・技術（QIST）の統合に関する戦略的勧告を概説し、今後5〜10年間で量子センシングおよび量子シミュレーション分野の進展を提言している。核-many-body問題の解明や核物理学・基礎物理学分野における高精度測定の向上に向け、量子技術を活用するため、人材育成と異分野連携の強化を重視している。

ABSTRACT

In preparation for the 2023 NSAC Long Range Plan (LRP), members of the Nuclear Science community gathered to discuss the current state of, and plans for further leveraging opportunities in, QIST in NP research at the Quantum Information Science for U.S. Nuclear Physics Long Range Planning workshop, held in Santa Fe, New Mexico on January 31 - February 1, 2023. The workshop included 45 in-person participants and 53 remote attendees. The outcome of the workshop identified strategic plans and requirements for the next 5-10 years to advance quantum sensing and quantum simulations within NP, and to develop a diverse quantum-ready workforce. The plans include resolutions endorsed by the participants to address the compelling scientific opportunities at the intersections of NP and QIST. These endorsements are aligned with similar affirmations by the LRP Computational Nuclear Physics and AI/ML Workshop, the Nuclear Structure, Reactions, and Astrophysics LRP Town Hall, and the Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos LRP Town Hall communities.

研究の動機と目的

• 核物理学と量子情報科学・技術（QIST）の交差分野における重要な科学的機会を特定・優先順位付けすること。
• 核物理学研究における量子センシングおよび量子シミュレーションを前進させるための5〜10年戦略計画を策定すること。
• 量子強化核物理学分野を牽引できる多様で量子技術に対応可能な人材を育成することを支援すること。
• 計算物理学やAI/ML統合を含む、核物理学分野における包括的長期計画とQISTイニシャチブを整合させること。
• 核構造、反応、対称性に関する基礎的問題に量子技術を活用するための協働的・異分野的研究ルートを推奨すること。

提案手法

• 2023年1月31日〜2月1日、ニューメキシコ州サンタフェで開催された98名の参加者を擁する特別ワークショップを通じて、核物理学におけるQISTの現状能力と今後の方向性を評価した。
• 核構造、反応、宇宙線物理学、基礎的対称性を含む、多様な核物理学分野からの知見を統合した。
• 捕獲イオン、超低温原子、量子コンピュータを用いた核many-body系の量子シミュレーションの具体的な技術的道筋を同定・推奨した。
• 電気双極子モーメントや中性子相互作用の測定に向けた量子センシングの応用を提案し、古典的限界を超えた高精度測定を実現可能とした。
• 若手研究者を対象とした量子技術および異分野連携分野の訓練プログラムを柱とする人材育成戦略を開発した。
• 核物理学研究エコシステム全体の整合性を確保するため、他のLRPワークショップと並行して実施された計画活動と整合化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして量子シミュレーションプラットフォームを最適化し、高い忠実度で核many-body系をモデル化できるか？
• RQ2 電気双極子モーメントや電弱性質をppm未満の精度で測定するのに最も有望な量子センシング技術は何か？
• RQ3 持続的かつ多様な量子技術対応人材を育成するためのインフラ整備と訓練プログラムには何が必要か？
• RQ4 量子情報技術を既存の計算核物理学フレームワークに統合することで、発見を加速するにはどうすればよいか？
• RQ5 核構造および宇宙線物理学分野における未解決問題にQISTの潜在能力を最大限に引き出すために不可欠な異分野連携は何か？

主な発見

• ワークショップでは、核few-bodyおよびmany-body系の量子シミュレーションが、核力や核構造の理解に飛躍的進展をもたらす可能性があるとして、最優先応用分野とされた。
• 電気双極子モーメントや中性子相互作用の測定に向けた量子センシング応用は、古典的限界を超えた画期的な高精度を達成可能であると認識された。
• 核物理学と量子技術の両方のスキルを備えた次世代の物理学者を育成するため、専門的な訓練プログラムおよび研究ネットワークの開発を推奨した。
• QISTを計算核物理学およびAI/MLと統合することが、理論的・実験的進展を加速するために不可欠であると確認された。
• 今後5〜10年間の資金配分およびインfra構築投資を指針づける戦略的勧告が公式に承認され、国家科学政策と整合した。
• このホワイトペーパーは、2023年核科学諮問委員会（NSAC）長期計画プロセスへの公式入力として提出され、広範なコミュニティの合意を反映していた。