[论文解读] 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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一句话总结

本白皮书概述了将量子信息科学与技术（QIST）整合入美国核物理研究的战略建议，提出在未来5–10年内推进量子传感与量子模拟的发展。强调人才培养与跨学科协作，以利用量子技术解决复杂的核多体问题，并提升核物理与基本物理中的精密测量水平。

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.

研究动机与目标

• 识别并优先考虑核物理与量子信息科学和技术（QIST）交叉领域中的关键科学机遇。
• 概述未来5–10年推进核物理研究中量子传感与量子模拟的战略计划。
• 支持培养一支多样化、具备量子能力的劳动力队伍，以推动量子增强型核科学的创新。
• 将QIST举措与更广泛的国家长期核物理规划工作相协调，包括计算物理和人工智能/机器学习（AI/ML）的整合。
• 支持协作性、跨学科的研究路径，利用量子技术解决核结构、反应与对称性方面的基础科学问题。

提出的方法

• 于2023年1月31日至2月1日在新墨西哥州圣达菲举办专题研讨会，与会者98人，评估QIST在核物理中的当前能力与未来方向。
• 综合来自核物理各子领域的意见，包括核结构、核反应、天体物理与基本对称性。
• 识别并支持使用离子阱、超冷原子与量子计算机对核多体系统进行量子模拟的具体技术路径。
• 提出利用量子传感技术测量核性质（如电偶极矩与中子相互作用）的应用，实现超越经典极限的高精度测量。
• 制定人才培养策略，重点培训早期职业研究人员掌握量子技术与跨学科协作能力。
• 确保建议与其它长期规划路线图（LRP）研讨会的同期规划活动保持一致，以保障核物理研究生态系统的协调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化量子模拟平台，以高保真度模拟核多体系统？
• RQ2 哪些最前沿的量子传感技术能够实现对基本核性质与电弱性质的亚ppm精度测量？
• RQ3 需要哪些基础设施与培训计划，以建立可持续且多元化的核物理量子准备劳动力？
• RQ4 如何将量子信息技术整合进现有的计算核物理框架中，以加速科学发现？
• RQ5 哪些跨学科合作对充分发挥QIST在解决核结构与天体物理中开放性问题方面的潜力至关重要？

主要发现

• 研讨会将核少体与多体系统的量子模拟确定为高优先级应用领域，有望在理解核力与核结构方面取得突破。
• 量子传感应用，特别是针对电偶极矩与中子相互作用的测量，被认为可实现超越经典极限的前所未有的精度。
• 与会者支持发展专门的培训项目与研究网络，以培养新一代兼具核物理与量子技术专长的物理学家。
• 确认将QIST与计算核物理及人工智能/机器学习（AI/ML）整合，对于加速理论与实验进展至关重要。
• 正式通过战略建议，以指导未来5–10年内的资金投入与基础设施建设，与国家科学优先事项保持一致。
• 本白皮书正式提交作为2023年核科学咨询委员会（NSAC）长期规划进程的输入，体现了广泛社区共识。