[논문 리뷰] Opportunities for Nuclear Physics & Quantum Information Science

Ian C. Cloët, Matthew R. Dietrich외 24명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 13.

Scientific Computing and Data Management인용 수 6

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 핵물리학(NP)과 양자정보과학(QIS) 간의 협력을 촉진하기 위한 다섯 가지 전략적 연구 기회를 규명한다. 이는 공동 양자 컴퓨팅, 양자 센싱, 인력 개발 이니셔티브를 포함한다. NP는 양자 시뮬레이터와 센서와 같은 QIS 기술을 활용해 고전적 방법으로는 해결이 불가능한 다체 문제를 해결할 수 있으며, QIS는 NP의 이론적·실험적 전문성에서 유래한 기여를 통해 양자 기술의 실생활 응용을 가속화할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고전적 계산 방법으로는 해결이 불가능한 핵다체물리학 및 양자색역학 문제를 양자 컴퓨팅 및 시뮬레이션 기술을 활용해 해결하고자 한다.
• 양자 기술의 발전을 활용해 핵물리학 실험을 위한 새로운 양자 센서 및 탐지 기법을 개발하고자 한다.
• 핵물리학과 양자정보과학 분야에서 양질의 전문 역량을 갖춘 다학제적 인재를 양성하여 혁신을 주도하고자 한다.
• 워크숍, 스쿨, 공통 정보 플랫폼을 통해 핵물리학(NP) 및 양자정보과학(QIS) 공동체 간의 소통과 협업을 향상시키고자 한다.
• 핵물리학과 QIS 이론 분야에서 초기 단계의 양자 기술 응용을 가능하게 하는 전략적이고 통합된 연구 프로그램을 수립하고자 한다.

제안 방법

• 대학, 국립연구소, 산업계 소속의 핵물리학 및 양자정보과학 연구 팀 간 협업을 유도하는 공동 기금 프로그램을 구축한다.
• 핵다체계 및 격자 게이지 이론에 특화된 양자 알고리즘 및 시뮬레이션 기법의 개발을 지원한다.
• 고에너지 입자와 동위원소를 활용해 고급 양자 센서 기술—예를 들어 고스트 이미징 및 얽힘 기반 탐지—를 발전시킨다.
• 양자 보조처리기(quantum co-processor)를 고전적 데이터 분석 파이프라인에 통합하여, 양자 알고리즘을 활용해 핵물리학 데이터 처리 속도를 향상시킨다.
• 온라인 생중계를 포함한 정기적인 워크숍, 스쿨, 세미나를 개최하여 다학제적 이해와 협업을 강화한다.
• NP-QIS 연합체를 구성하여 두 공동체 간의 기회, 채용 공고, 연구 동향을 널리 공유한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 계산으로는 불가능한 방식으로, 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션은 핵다체 문제와 양자색역학을 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ2 어떤 양자 센서 기술이 핵물리학 실험의 성능을 향상시킬 수 있는가? 특히 약한 신호 탐지나 비침습적 영상 기술에 기여할 수 있는가?
• RQ3 얽힘과 초위상과 같은 양자정보과학 개념은 핵검출기의 감도와 해상도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 핵물리학과 양자정보과학 분야에서 이중 전문성을 갖춘 신세대 연구자를 양성하기 위한 가장 효과적인 길은 무엇인가?
• RQ5 학계, 국립연구소, 산업계 간의 체계적 협업은 핵물리학 분야에서의 양자 기술 개발 및 도입을 어떻게 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• 양자 컴퓨팅은 기존 고전적 방법으로는 해결이 불가능한 복잡한 게이지 장 이론과 핵다체계를 시뮬레이션할 수 있는 전환적 길을 제공한다.
• 고스트 이미징 및 얽힘 기반 센서를 포함한 양자 센서는 고에너지 전자로 공간 해상도 없이 영상 촬영이 가능한 새로운 탐지 기법을 가능하게 하여 새로운 실험적 가능성을 열어준다.
• 입출력 버퍼링 문제를 해결할 경우, 고전적 데이터 분석 파이프라인에 양자 보조처리기를 통합하면 핵물리학 데이터 처리 속도가 크게 향상될 수 있다.
• 협업 기금 및 인재 양성 이니셔티브는 양자물리학과 핵물리학 분야의 혁신을 주도할 수 있는 다학제적 연구자 집단을 구축하는 데 필수적이다.
• 워크숍, 스쿨, NP-QIS 연합체는 공동체 간 이해를 제고하고 장기적인 생산적 협업을 촉진하는 데 필수적이다.
• 핵물리학과 양자정보과학 간의 상호보완적 잠재력은 아직 완전히 실현되지 않았지만, 이론, 기술, 교육 분야의 전략적 투자로 이 분야의 전환적 발전을 이끌 수 있다.