[论文解读] 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 15

一句话总结

本白皮书识别出核物理（NP）与量子信息科学（QIS）交叉领域的五个战略性研究机遇，提出通过协作推动量子计算、量子模拟和量子传感技术的发展，以解决经典方法难以处理的核物理问题——尤其是核多体问题和规范场理论问题，同时借助核物理驱动的理论与技术创新，推动QIS的发展。

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.

研究动机与目标

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• 促进核物理与量子信息科学领域之间的合作，利用量子技术解决核物理中的基础性问题。
• 开发新的理论框架，将量子算法与QIS概念应用于核多体系统和量子色动力学。
• 支持开发量子传感器及其他QIS技术，使其在核物理实验中具有直接应用价值。
• 通过定向资助研究生和博士后研究人员，培养新一代兼具核物理与量子信息科学技能的研究人才。

提出的方法

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• 提出以理论为导向的方法，将数字量子计算机与量子模拟器适配于核物理中规范场理论与多体系统的模拟。
• 倡导使用变分量子算法与抗错协议，在近期的含噪声中等规模量子（NISQ）设备上模拟量子场理论。
• 建议利用现有的核物理基础设施——如超导技术、微纳加工技术与同位素计划——用于量子传感器与量子比特的开发。
• 鼓励利用量子模拟平台（如离子阱、超冷原子、超导电路）来模拟强关联核系统与晶格规范场理论。
• 推动整合量子传感技术（如氮-vacancy中心与原子光谱）以实现对电偶极矩与场动力学的高精度探测。
• 通过国家实验室、高校与产业界之间的联合培训项目与合作资助，推动跨学科人才队伍建设。

实验结果

研究问题

• RQ1 .
• RQ2 如何利用量子计算来模拟经典方法难以处理的量子色动力学与晶格规范场理论？
• RQ3 在NISQ时代量子处理器上模拟核多体系统时，哪些量子算法与错误缓解策略最为有效？
• RQ4 基于原子或固态系统的量子传感器如何提升核物理实验中对基本对称性（如电偶极矩）的探测能力？
• RQ5 何种理论框架可统一量子信息科学的洞见与强子与核系统结构及动力学之间的关系？
• RQ6 如何将现有核物理基础设施重新利用，以加速量子技术的发展？

主要发现

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• 在小规模量子处理器上已成功实现晶格规范场理论（如施温格模型）的量子模拟，验证了该方法的可行性。
• 变分量子算法在当前量子硬件上已展现出计算少数核系统基态与激发谱的潜力。
• 基于金刚石中氮-vacancy中心的量子传感器可实现低于标准量子极限的磁场分辨率，从而实现对微弱核信号的高精度探测。
• 通过量子场论模型，高能碰撞（如大型强子对撞机中的碰撞）中的量子纠缠现象或可被探测，为实验验证开辟新途径。
• 核物理学家与量子信息科学家的协作可加速容错量子计算的发展，为量子算法提供具有物理实际意义的测试平台。
• 量子计算与核理论的融合可为核多体问题提供新洞见，包括集体行为与相变的涌现。