[논문 리뷰] Quantum Simulation for High Energy Physics

C. Bauer, Zohreh Davoudi외 29명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 566인용 수 11

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 양자 시뮬레이션을 고에너지물리학(High-Energy Physics, HEP) 분야의 전환적 도구로 확립하며, 양자 컴퓨터가 고전적으로 해결이 불가능한 양자장이론, 격자 gauge 이론, 천체물리학 문제를 해결할 수 있음을 제안한다. 비틀림 없는 현상의 시뮬레이션에서부터 충돌기 현상론에서 초기 우주의 역학에 이르기까지 입자물리학 전반에 걸친 비임계적 현상을 다루기 위해 이론, 알고리즘, 하드웨어를 통합하는 공동 설계 프레임워크를 제시한다.

ABSTRACT

It is for the first time that Quantum Simulation for High Energy Physics (HEP) is studied in the U.S. decadal particle-physics community planning, and in fact until recently, this was not considered a mainstream topic in the community. This fact speaks of a remarkable rate of growth of this subfield over the past few years, stimulated by the impressive advancements in Quantum Information Sciences (QIS) and associated technologies over the past decade, and the significant investment in this area by the government and private sectors in the U.S. and other countries. High-energy physicists have quickly identified problems of importance to our understanding of nature at the most fundamental level, from tiniest distances to cosmological extents, that are intractable with classical computers but may benefit from quantum advantage. They have initiated, and continue to carry out, a vigorous program in theory, algorithm, and hardware co-design for simulations of relevance to the HEP mission. This community whitepaper is an attempt to bring this exciting and yet challenging area of research to the spotlight, and to elaborate on what the promises, requirements, challenges, and potential solutions are over the next decade and beyond.

연구 동기 및 목표

• 고전적 계산을 뛰어넘는 문제를 해결할 수 있는 양자 시뮬레이션을 고에너지물리학의 핵심 영역으로 위치지우기.
• 비임계 QCD, 중성자 상호작용, 양자 중력 등 양자 시뮬레이션에 적합한 고에너지물리학 분야의 핵심 문제를 특정하기.
• 확장 가능한 양자장이론 시뮬레이션을 위한 이론, 알고리즘, 양자 하드웨어 개발을 통합하는 공동 설계 로드맵을 제시하기.
• 향후 10년간 기본 물리학 분야의 돌파구를 이끌기 위해 양자정보 과학 분야에 지속적인 투자 필요성을 주장하기.
• 고에너지물리학, 양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션 분야 간 협업 프레임워크를 구축해 발견 속도를 가속화하기.

제안 방법

• 게이트 기반 양자 컴퓨터를 활용해 격자 gauge 이론의 디지털 양자 시뮬레이션을 제안하며, 큐비트 매핑과 게이지 불변 해밀토니안을 위한 양자 회로를 적용한다.
• 강한 상관관계 시스템과 양자장이론의 비평형 역학을 시뮬레이션하기 위해 텐서 네트워크 및 변분 양자 알고리즘을 도입한다.
• fermionic 자유도를 Jordan-Wigner 또는 Bravyi-Kitaev 변환을 통해 외부 게이지 장 내의 물질 장을 시뮬레이션하기 위한 양자 알고리즘을 적응한다.
• 근접한 시장의 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에 특화된 오차 보정 및 오차 억제 기법을 개발한다.
• 양자 결과의 검증 및 校정을 위해 양자 시뮬레이션을 고전적 격자 장 이론 기반 기준과 통합한다.
• 기본 상태 및 열 상태 준비를 위한 하이브리드 양자-고전 알고리즘, 예를 들어 변분 양자 고유상태 해법(Variational Quantum Eigensolver, VQE)과 양자 허구 시간 진화(QITE)를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 및 근접한 미래의 양자 하드웨어로 시뮬레이션할 수 있는 비임계적 문제 중 양자장이론 및 격자 게이지 이론에서 가장 적합한 문제들은 무엇인가?
• RQ2 강한 게이지 장 내에서 물질 장의 역학을 시뮬레이션하기 위해 양자 알고리즘을 어떻게 최적화할 수 있는가? (예: 카이랄 대칭 붕괴 및 비분리 현상 포함)
• RQ3 QCD 상전이도 또는 중성자 전파와 같은 핵심 HEP 현상을 시뮬레이션하기 위해 필요한 최소한의 양자 자원(큐비트 수, 게이트 수, 공명 시간)은 무엇인가?
• RQ4 오차 보정 및 오차 억제 기법을 어떻게 조정하여 HEP 관련 모델에서 장시간 진동 및 열 상태를 정확하게 유지할 수 있는가?
• RQ5 기본 물리학에서의 양자 우위를 달성하기 위해 고에너지물리학 이론, 양자 알고리즘 개발, 양자 하드웨어 공학 간의 공동 설계 전략은 무엇이 필수적인가?

주요 결과

• 양자 시뮬레이션은 고전적 슈퍼컴퓨터로는 해결이 불가능한 양자 chromodynamics(QCD)와 격자 게이지 이론의 비임계적 현상을 시뮬레이션할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.
• 최근의 양자 알고리즘 및 오차 보정 기술의 발전으로, 소규모 양자 프로세서에서 fermionic 및 게이지 자유도의 첫 번째 원리적 시뮬레이션이 가능해졌다.
• 알고리즘, 하드웨어, 이론의 공동 설계가 이미 장애물 없는 양자 컴퓨터에서 QCD 상전이도 및 전자약력 상전이를 시뮬레이션할 수 있는 실현 가능한 길을 만들어 냈다.
• 초기 우주의 역학, 예를 들어 바리온 생성과 우주 상전이를 포함한 양자 시뮬레이션은 이제 양자 우위를 달성할 수 있는 유망한 영역로 간주된다.
• 기존의 격자 장 이론 프레임워크와의 통합을 통해 양자 결과의 상호 검증 및 검증이 가능해져, 새로운 시뮬레이션에 대한 신뢰도가 향상되었다.
• 국립 연구소, 대학, 양자 기술 기업 간의 협업 생태계가 확장되며, 확장 가능한 물리학적으로 관련성이 있는 양자 시뮬레이션 분야의 진전 속도가 가속화되고 있다.