[论文解读] Report of the Snowmass 2021 Topical Group on Lattice Gauge Theory

Zohreh Davoudi, Ethan T. Neil+36 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本份2021年Snowmass报告概述了美国高能物理领域规范场论的战略愿景，主张持续投资于规范场论中的格点QCD，以实现对夸克质量、μ子g-2、电偶极矩以及核子和原子核中新物理信号的精确计算。报告强调整合百亿亿次计算、量子模拟与量子计算，以推进强相互作用场论的模拟，并为粒子物理的未来发现做好准备。

ABSTRACT

Lattice gauge theory continues to be a powerful theoretical and computational approach to simulating strongly interacting quantum field theories, whose applications permeate almost all disciplines of modern-day research in High-Energy Physics. Whether it is to enable precision quark- and lepton-flavor physics, to uncover signals of new physics in nucleons and nuclei, to elucidate hadron structure and spectrum, to serve as a numerical laboratory to reach beyond the Standard Model, or to invent and improve state-of-the-art computational paradigms, the lattice-gauge-theory program is in a prime position to impact the course of developments and enhance discovery potential of a vibrant experimental program in High-Energy Physics over the coming decade. This projection is based on abundant successful results that have emerged using lattice gauge theory over the years: on continued improvement in theoretical frameworks and algorithmic suits; on the forthcoming transition into the exascale era of high-performance computing; and on a skillful, dedicated, and organized community of lattice gauge theorists in the U.S. and worldwide. The prospects of this effort in pushing the frontiers of research in High-Energy Physics have recently been studied within the U.S. decadal Particle Physics Planning Exercise (Snowmass 2021), and the conclusions are summarized in this Topical Report.

研究动机与目标

• 推动格点QCD成为精确味物理的核心，包括μ子反常磁矩和夸克质量的计算。
• 识别并计算核子和原子核中新的物理信号，例如电偶极矩以及轻子/重子数不守恒。
• 通过改进算法、软件和格点场论计算框架，为百亿亿次计算时代做好准备。
• 将量子计算与量子模拟整合进格点场论研究，利用近期的含噪声中等规模量子（NISQ）设备。
• 促进学术界、国家实验室与工业界的合作，共同开发适用于格点场论与量子模拟的专用软硬件。

提出的方法

• 利用格点QCD模拟计算强子矩阵元、夸克质量与强耦合常数，并控制不确定性。
• 应用改进的行动量、改进的费米子实现方式以及算法进步（例如区域分解、多重网格求解器）以提升计算效率。
• 开发制备非平凡量子态并测量可观测量（如散射振幅、结构函数与量子信息度量）的协议。
• 通过定制化的哈密顿量工程，将量子场论映射到模拟量子模拟器（如超冷原子、囚禁离子、光子系统）。
• 在近期的NISQ设备上基准测试并实现格点场论算法，以实验约束验证理论设想。
• 在借鉴过去HPC协同设计成功经验的基础上，与工业合作伙伴共同设计专用量子硬件。

实验结果

研究问题

• RQ1 格点QCD如何提升μ子反常磁矩与τ衰变振幅的计算精度？
• RQ2 μ子g-2的主导阶强子贡献是什么？如何实现低于1%的不确定性计算？
• RQ3 格点QCD对电偶极矩的计算能否为标准模型及其之外的CP破坏相位提供约束？
• RQ4 格点模拟如何探测轻子数不守恒过程（如无中微子双贝塔衰变）？
• RQ5 在近期量子设备上模拟QCD及其他强耦合场论时，最优的量子算法与硬件映射是什么？

主要发现

• 格点QCD已在关键可观测量（如μ子g-2的强子真空极化贡献）中实现低于1%的精度，且预计未来改进将进一步降低不确定性。
• 核子与原子核中电偶极矩的计算现可在受控系统误差下实现，为CP破坏提供敏感探测手段。
• 格点模拟已为奇异强子态与共振态的存在提供了定量证据，包括与质子衰变及n–n̄振荡相关的态。
• 近期量子设备已被用于基准测试散射振幅与结构函数的量子算法，在受控模拟中取得有希望的结果。
• 向百亿亿次计算的过渡有望实现包含物理夸克质量与精细网格的全QCD模拟，从而减少系统误差。
• 协同设计量子硬件与软件对于满足在量子处理器上模拟非阿贝尔规范场论的计算需求至关重要。