近日，北京大學(xué)周辰助理教授、清華大學(xué)劉東副教授、中國科學(xué)院高能物理研究所阮曼奇研究員與其合作者在高能物理與量子計(jì)算的交叉領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要突破。他們首次將量子近似優(yōu)化算法（QAOA）應(yīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)中的噴注聚類問題。這一研究成果不僅展示了量子計(jì)算在高能物理中的巨大潛力，也為未來量子計(jì)算在基礎(chǔ)科學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用開辟了新的道路。
量子計(jì)算是一種基于量子力學(xué)原理的新型計(jì)算方式，它利用量子比特（qubit）的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，能夠在某些特定問題上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。近年來，量子計(jì)算在優(yōu)化問題、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。
噴注聚類是高能物理數(shù)據(jù)分析中的關(guān)鍵步驟，尤其是在研究希格斯玻色子等基本粒子的性質(zhì)時(shí)，精確的噴注聚類能夠幫助科學(xué)家更好地理解粒子對撞的物理過程。然而，隨著對撞能量的提高和數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)的噴注聚類算法面臨著計(jì)算復(fù)雜度高、耗時(shí)長等問題。在本項(xiàng)研究中，科學(xué)家們將量子近似優(yōu)化算法（QAOA）應(yīng)用于噴注聚類問題。QAOA是一種量子算法，專門用于解決組合優(yōu)化問題。它的核心思想是通過量子態(tài)的演化，逐步逼近問題的最優(yōu)解。研究團(tuán)隊(duì)將粒子對撞事件映射為一個(gè)圖結(jié)構(gòu)：圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)粒子，節(jié)點(diǎn)之間的邊代表粒子之間的距離。通過這種方式，噴注聚類問題被轉(zhuǎn)化為一個(gè)圖分割問題，即如何將圖中的節(jié)點(diǎn)分成若干組，使得組間的連接權(quán)重最大。
在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先在量子計(jì)算機(jī)模擬器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)，隨著量子算法深度（層數(shù)）的增加，噴注聚類的精度顯著提高。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)連接數(shù)（k值）對算法性能也有重要影響。為了驗(yàn)證量子算法在實(shí)際硬件上的可行性，研究團(tuán)隊(duì)還在BAQIS Quafu量子計(jì)算云平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，量子硬件在處理小型問題時(shí)，表現(xiàn)與無噪聲的量子模擬器相當(dāng)，展示了當(dāng)前量子硬件的實(shí)用性。
這項(xiàng)研究展示了量子計(jì)算在高能物理中的實(shí)際應(yīng)用潛力，為未來的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展提供了新的方向。在未來，量子計(jì)算將在更多領(lǐng)域帶來革命性的突破。相關(guān)論文“A Novel Quantum Realization of Jet Clustering in High-Energy Physics Experiments（高能物理中噴注重建的一種新穎量子實(shí)現(xiàn)）”已在Science Bulletin 2025年第4期上發(fā)表。
圖1，量子近似優(yōu)化算法在噴注重建中的應(yīng)用。（a）正負(fù)電子對撞產(chǎn)生大量穩(wěn)定的末態(tài)粒子。（b）對撞事例表示為圖，其中粒子表示為圖的節(jié)點(diǎn)，粒子之間的距離表示為節(jié)點(diǎn)之間的邊。（c）構(gòu)建量子線路。（d）根據(jù)超導(dǎo)量子芯片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其支持的量子門編譯量子線路。（e）得到由量子模擬器、量子硬件、經(jīng)典的噴注重建算法以及k均值聚類上的噴注重建結(jié)果。其中縱軸表示重建出的噴注與對應(yīng)夸克的夾角，夾角越小表示重建效果越好
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.12.020
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