[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 15

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 핵물리학(NP)과 양자정보과학(QIS)의 교차 분야에서 다섯 가지 전략적 연구 기회를 식별하며, 양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션, 양자 센싱을 활용하여 해결이 어려운 NP 문제—특히 핵 many-body 문제와 격자 게이지 이론—을 해결하기 위한 협력적 노력의 필요성을 제안한다. 이와 동시에 NP에 기반한 이론적·기술적 혁신을 통해 QIS도 발전시킬 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

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• 핵물리학과 양자정보과학 분야 간의 협력을 촉진하여 양자 기술을 활용해 핵물리학의 근본적 문제를 해결한다.
• 양자 알고리즘과 QIS 개념을 핵 many-body 시스템과 양자 색역학(QCD)에 적용할 수 있는 새로운 이론적 프레임워크를 개발한다.
• 핵물리학 실험에 직접적인 응용이 가능한 양자 센서 및 기타 QIS 기술의 개발을 지원한다.
• 국가 연구소, 대학, 산업계 간의 협력 연구 및 공동 교육 프로그램을 통해 핵물리학과 양자정보과학에 능숙한 차세대 연구자를 양성하기 위한 전담 자금 지원을 추진한다.

제안 방법

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• 디지털 양자 컴퓨터와 양자 시뮬레이터를 핵물리학의 게이지 장 이론과 many-body 시스템을 시뮬레이션할 수 있도록 те오리-주도적 접근을 제안한다.
• 근접한 시장의 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 양자장 이론을 시뮬레이션하기 위해 변분 양자 알고리즘과 오류 내성 있는 프로토콜의 사용을 권장한다.
• 초전도체 기술, 마이크로패키징, 동위원소 프로그램 등 기존의 핵물리학 인프라를 활용해 양자 센서와 큐비트 개발을 추진한다.
• 포획된 이온, 초저온 원자, 초전도 회로 등 양자 시뮬레이션 플랫폼을 활용해 강한 상관관계를 가진 핵 시스템과 격자 게이지 이론을 모델링한다.
• 나이트-빈티지(NV) 중심과 원자 분광학과 같은 고정밀 검출 기술을 활용해 전기 dipole 모멘트 및 필드 역학을 정밀하게 측정한다.
• 국가 연구소, 대학, 산업계 간의 협력 연구 및 공동 교육 프로그램을 통해 다학제적 인재 양성을 촉진한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 .
• RQ2 어떻게 양자 컴퓨팅을 활용해 고전적 방법으로는 해결이 어려운 양자 색역학(QCD)과 격자 게이지 이론을 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 NISQ 시대의 양자 프로세서에서 핵 many-body 시스템을 시뮬레이션하기 위해 가장 효과적인 양자 알고리즘과 오류 보정 전략는 무엇인가?
• RQ4 원자 또는 고체 상태 기반의 양자 센서는 핵물리학 실험에서 기본 대칭성, 예를 들어 전기 dipole 모멘트를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 어떤 이론적 프레임워크가 양자정보과학의 통찰과 강입자 및 핵 시스템의 구조 및 동역학을 통합할 수 있는가?
• RQ6 기존의 핵물리학 인프라는 어떻게 재편성되어 양자 기술의 개발을 가속화할 수 있는가?

주요 결과

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• 작은 규모의 양자 프로세서에서 이미 격자 게이지 이론, 예를 들어 슈윙거 모델의 양자 시뮬레이션이 성공적으로 구현되어 이 접근의 타당성이 입증되었다.
• 변분 양자 알고리즘은 현재의 양자 하드웨어에서 소수의 핵 입자 시스템의 기초 상태와 자극 상태 스펙트럼을 계산하는 데 유망한 성과를 보였다.
• 다이아몬드 내 질소-빈티지(NV) 중심 기반의 양자 센서는 표준 양자 한계 이하의 자기장 해상도를 달성하여 약한 핵 신호의 고정밀 측정이 가능하다.
• Large Hadron Collider(LHC)와 같은 고에너지 충돌에서의 얽힘 현상은 양자장 이론 모델을 통해 탐색될 수 있으며, 이는 실험적 검증을 위한 새로운 길을 제시한다.
• 핵물리학자와 양자정보과학자 간의 협력은 물리적으로 의미 있는 테스트 베드를 제공함으로써 고장내성 양자 컴퓨팅의 개발을 가속화할 수 있다.
• 양자 컴퓨팅과 핵이론의 통합은 집단적 행동과 상전이의 발생과 같은 핵 many-body 문제에 대한 새로운 통찰을 이끌어낼 수 있다.