[论文解读] Quantum Simulation for High Energy Physics

C. Bauer, Zohreh Davoudi+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 566被引用 11

一句话总结

本白皮书确立了量子模拟作为高能物理（HEP）领域变革性工具的地位，提出量子计算机能够解决经典计算难以处理的量子场论、规范场理论和宇宙学中的难题。白皮书提出了一套软硬件协同设计框架，整合理论、算法与硬件，以实现对粒子物理中非微扰现象（从对撞机现象学到早期宇宙动力学）的量子优势模拟。

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.

研究动机与目标

• 将量子模拟确立为高能物理的核心前沿领域，解决经典计算无法触及的问题。
• 识别高能物理中适合量子模拟的关键物理问题，如非微扰量子色动力学（QCD）、中微子相互作用和量子引力。
• 勾勒出一个整合理论、算法与量子硬件开发的协同设计路线图，以实现量子场论的可扩展模拟。
• 倡导对量子信息科学的持续投入，以在未来十年内推动基础物理的突破。
• 建立高能物理、量子计算与量子模拟社区之间的协作框架，以加速科学发现。

提出的方法

• 提出使用门控量子计算机对格点规范场理论进行数字量子模拟，利用量子比特映射和满足规范不变性的哈密顿量的量子线路。
• 引入张量网络和变分量子算法，以模拟量子场论中的强关联体系与非平衡动力学。
• 将量子算法适配于模拟外规范场中的物质场，包括通过Jordan-Wigner或Bravyi-Kitaev变换处理费米自由度。
• 开发针对近场含噪声中等规模量子（NISQ）设备在高能物理应用中的误差缓解与误差抑制技术。
• 将量子模拟与经典格点场论基准进行整合，以验证和校准量子模拟结果。
• 提出混合量子-经典算法，如变分量子本征求解器（VQE）和量子虚时演化（QITE），用于基态与热态制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前及近期量子硬件条件下，哪些量子场论与格点规范场论中的非微扰问题最适于通过量子模拟解决？
• RQ2 如何优化量子算法以模拟强规范场中物质场的动力学，包括手征对称性自发破缺与禁闭现象？
• RQ3 模拟关键高能物理现象（如QCD相图或中微子传播）所需的最小量子资源（量子比特数、门数、相干时间）是多少？
• RQ4 如何将误差缓解与误差抑制技术适配于长时演化与热态模拟，以在高能物理相关模型中保持精度？
• RQ5 高能物理理论、量子算法开发与量子硬件工程之间应采取何种协同设计策略，以实现在基础物理中的量子优势？

主要发现

• 量子模拟为模拟经典超级计算机难以处理的量子色动力学（QCD）与格点规范场论中的非微扰现象提供了切实可行的路径。
• 近期在量子算法与误差缓解方面的进展，已使在小型量子处理器上实现费米子与规范自由度的原理验证模拟成为可能。
• 算法、硬件与理论的协同设计已为在容错量子计算机上模拟QCD相图与电弱相变提供了切实可行的路径。
• 对早期宇宙动力学（包括重子生成与宇宙相变）的量子模拟，现被视为实现量子优势的有前景前沿领域。
• 将量子模拟与现有格点场论框架相结合，可实现结果的交叉验证与校验，显著增强对新兴模拟结果的信心。
• 一个由国家实验室、高校与量子科技企业共同参与的协作生态系统正在加速发展，推动可扩展、物理相关的量子模拟进程。