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????模擬高端實(shí)驗(yàn) 再現(xiàn)“上帝粒子”
????量子計(jì)算機(jī)將在科研領(lǐng)域“大顯身手”
????物理學(xué)家一直在努力開發(fā)量子計(jì)算機(jī)，并希望量子計(jì)算機(jī)發(fā)揮其量子力學(xué)效能，幫助發(fā)現(xiàn)自然界的新規(guī)律。
????去年，英國(guó)《自然》雜志報(bào)道稱，奧地利物理學(xué)家用4個(gè)“量子比特”組成的量子計(jì)算機(jī)，第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能物理這樣高端實(shí)驗(yàn)的完整模擬。近日，《自然》雜志又報(bào)道，一臺(tái)初級(jí)量子計(jì)算機(jī)在某種意義上重新發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”——希格斯玻色子。據(jù)稱，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司的量子計(jì)算機(jī)可以學(xué)會(huì)在堆積如山的海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)粒子的特征。
????盡管這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)沒有超過常規(guī)方法，但科學(xué)家表示，隨著未來物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)量的增多，量子計(jì)算機(jī)有望在科研領(lǐng)域“大顯身手”。
????模擬高能物理實(shí)驗(yàn)
????據(jù)去年6月22日出版的《自然》雜志報(bào)道，奧地利物理學(xué)家在4個(gè)“量子比特”組成的量子計(jì)算機(jī)研究中，利用位于真空中的電磁場(chǎng)讓4個(gè)離子排成一行，每個(gè)離子編碼為1個(gè)量子比特，組成了一臺(tái)迷你版的量子計(jì)算機(jī)。研究人員用激光束操控離子的自旋，誘導(dǎo)離子執(zhí)行邏輯運(yùn)算。100多步計(jì)算后，科學(xué)家成功證實(shí)了一個(gè)量子電動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)：能量轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，創(chuàng)造出一個(gè)電子和一個(gè)正電子。
????研究人員希望未來能升級(jí)計(jì)算規(guī)模，以便模擬強(qiáng)核力(讓夸克依附在一起形成質(zhì)子和中子并最終形成原子核)。而且，升級(jí)版的量子計(jì)算機(jī)還有望解決更多問題，比如幫科學(xué)家理解兩個(gè)原子核的高速碰撞，以及中子星和中微子等。
????搜尋希格斯玻色子
????近期，科學(xué)家更進(jìn)一步，利用量子計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。
????2012年，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)團(tuán)隊(duì)宣布，他們證明了希格斯玻色子的存在，找到了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。CMS(緊湊繆子線圈)和ATLAS(超環(huán)面儀器)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組都找到了質(zhì)子對(duì)撞中制造出希格斯玻色子的證據(jù)。在這種方式中，希格斯玻色子會(huì)衰變成更常見的玻色子，比如一對(duì)高能光子。
????但每次LHC讓兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生對(duì)撞，都會(huì)產(chǎn)生數(shù)百個(gè)其他粒子，當(dāng)它們撞到探測(cè)器時(shí)，會(huì)被錯(cuò)誤地解釋成光子。為了幫助加快搜尋到希格斯玻色子，ATLAS和CMS的物理學(xué)家用模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法來“沙里淘金”——從假信號(hào)中“揪出”真光子。
????最近，CMS搜索希格斯玻色子負(fù)責(zé)人之一、美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)教授瑪利亞·斯皮羅普魯想要了解量子計(jì)算機(jī)能否讓上述訓(xùn)練過程更高效，尤其是在減少訓(xùn)練系統(tǒng)所需的模擬數(shù)據(jù)數(shù)量方面，她說：“我想看看它到底能不能解決希格斯問題?！?/p>
????她的合作者亞力克斯·莫特是倫敦“深度學(xué)習(xí)”項(xiàng)目的物理學(xué)家，他把學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)換成了可用“量子退火”計(jì)算機(jī)(加拿大D-Wave系統(tǒng)公司開發(fā))計(jì)算的問題。這類機(jī)器能通過使編碼量子信息的超導(dǎo)線圈降為最低能態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)某些問題的最優(yōu)解。
????他們的想法是，讓量子計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)最佳標(biāo)準(zhǔn)，讓普通計(jì)算機(jī)接著使用這些標(biāo)準(zhǔn)在真實(shí)的數(shù)據(jù)中尋找光子的信號(hào)。為了檢驗(yàn)這一理論，團(tuán)隊(duì)用了位于南加州洛杉磯大學(xué)的D-Wave公司機(jī)器。實(shí)驗(yàn)非常成功，斯皮羅普魯說：“我們已經(jīng)能夠用小數(shù)據(jù)集訓(xùn)練來得出最優(yōu)解?！?/p>
????ATLAS希格斯玻色子搜尋行動(dòng)負(fù)責(zé)人之一克萊默說，這證明是可行的，這才是這項(xiàng)研究“最酷”的一部分。而且與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，目前量子計(jì)算機(jī)并沒有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在未來的實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)量會(huì)更大，屆時(shí)量子機(jī)器學(xué)習(xí)將“大顯身手”。
????美國(guó)紐約大學(xué)物理學(xué)家凱利·克萊默說，量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于解決實(shí)際的物理學(xué)問題，而非通常的數(shù)學(xué)問題，此舉令人耳目一新，“在這之前，人們就覺得量子機(jī)器和物理實(shí)驗(yàn)或許有一天能交叉，看來這次是成真了?！?/p>
????應(yīng)用或超越物理學(xué)研究
????不過，克萊默也指出，盡管如此，不要指望物理學(xué)家立刻就投身量子計(jì)算機(jī)的懷抱了?，F(xiàn)在，這個(gè)機(jī)器還沒有斯皮羅普魯和其團(tuán)隊(duì)在普通電腦上運(yùn)行的虛擬版本表現(xiàn)得更好。而且，要證明這些技術(shù)比現(xiàn)在的一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法更高效，仍然任重道遠(yuǎn)。斯皮羅普魯也同意這一看法并補(bǔ)充道，測(cè)試多種不同的方法，相互比較哪個(gè)最好仍有必要。
????實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可能對(duì)物理以外的領(lǐng)域產(chǎn)生影響。目前，從地球科學(xué)到生物信息學(xué)，研究者對(duì)量子計(jì)算機(jī)及其在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的應(yīng)用興趣濃厚，例如用于基因序列分析和蛋白質(zhì)折疊的風(fēng)險(xiǎn)分析等。此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)埃姆斯研究中心下屬非營(yíng)利組織大學(xué)太空研究聯(lián)盟的戴維·文圖勒氏正領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)計(jì)劃，制造一臺(tái)和D-Wave同類型機(jī)器，由谷歌和NASA資助，建成后將向全世界實(shí)驗(yàn)者們開放。(記者 劉 霞)
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