IBM ist führend bei der Entwicklung von Quantencomputern. Bild: IBM
Ein neues Weißbuch zeigt die vielversprechenden Möglichkeiten des Quantencomputings für die Teilchenphysik auf. Das Papier blickt dabei sowohl auf Herausforderungen, die sich aus dem Ausbau des Large Hadron Colliders LHC am CERN in Genf ergeben, als auch auf andere Anlagen und Experimente weltweit, bei denen DESY engagiert ist. Das Autorenteam aus Experten des DESY-Zentrums für Quantentechnologien und -anwendungen (CQTA) in Zeuthen, des CERN, von IBM Quantum und von über 30 weiteren Organisationen hat das Papier jetzt auf dem Physik-Preprint-Server arXiv veröffentlicht.
Die Arbeitsgruppe war auf der ersten „QT4HEP“-Konferenz am CERN im vergangenen November gegründet worden. In den vergangenen acht Monaten haben die 46 Mitglieder verschiedene Bereiche in der theoretischen und der experimentellen Teilchenphysik identifiziert, in denen das Quantencomputing einen bedeutenden Fortschritt darstellen könnte. „Mit Quantencomputern können wir in diesen Bereichen Probleme angehen, die mit klassischen Methoden nur sehr schwer oder gar nicht zu lösen sind“, sagt DESY-Teilchentheoretiker Karl Jansen, Leiter des CQTA bei DESY in Zeuthen. „Auf diese Weise können wir physikalische Systeme erforschen, zu denen wir bisher keinen Zugang haben.“
In der theoretischen Teilchenphysik sehen die Autorinnen und Autoren vielversprechende Möglichkeiten im Zusammenhang mit Echtzeitphänomenen, der Gitterspurentheorie, Neutrino-Oszillationen und Quantenfeldtheorien im Allgemeinen. Die betrachteten Anwendungen umfassen die Quantendynamik, hybride quantenklassische Algorithmen für statische Probleme in der Gittereichtheorie, Optimierung und Klassifizierung.
Auf der experimentellen Seite identifizieren die Autorinnen und Autoren Bereiche, die zusammenhängen mit der Rekonstruktion von Jets und Spuren, der Extraktion seltener Signale, mit Problemen, die über das Standardmodell hinausgehen, mit Partonschauern und der Simulation von Experimenten. Diese werden dann auf Klassifizierungs-, Regressions-, Optimierungs- und Generierungsprobleme abgebildet. Diese Anwendungen wären nicht nur für Collider-Experimente wie am Large Hadron Collider möglich, sondern auch für andere Experimente, an denen DESY maßgeblich beteiligt ist, etwa Astroteilchenphysik-Observatorien wie das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol und die Suche nach Kandidaten für die Dunklen Materie wie beim Experiment ALPS II auf dem DESY-Campus in Hamburg.
„Quantencomputing ist sehr vielversprechend, aber nicht jedes Problem in der Teilchenphysik eignet sich für diese Art des Rechnens“, sagt Alberto Di Meglio, Leiter der CERN Quantum Technology Initiative (CERN QTI) und neben Karl Jansen von DESY und Ivano Tavernelli von IBM Quantum einer der Hauptautoren der Studie. „Es ist wichtig sicherzustellen, dass wir bereit sind und dass wir die Bereiche genau identifizieren können, in denen diese Technologien das Potenzial haben, für unsere Gemeinschaft am nützlichsten zu sein.“
Die Arbeitsgruppe wird nun spezifische Anwendungsfälle aus den im Papier aufgelisteten Aktivitäten auswählen, die im Rahmen der Teilnahme von CERN und DESY am IBM Quantum Network in Zusammenarbeit mit IBM Quantum während der sogenannten 100x100 Challenge bearbeitet werden sollen. Im Rahmen der 100x100-Challenge wird IBM Quantum im Jahr 2024 ein Tool zur Verfügung stellen, das in der Lage ist, die Observablen von Schaltkreisen mit 100 Qubits in einer Tiefe von 100 Gatteroperationen zu berechnen. Dies wird eine wichtige Testbasis für die Weiterentwicklung ausgewählter Anwendungsfälle aus der Teilchenphysik und anderen Forschungsbereichen. IBM Quantum ist ein langjähriger Partner des CERN QTI, des CERN openlab sowie des CQTA bei DESY.
Das CQTA wird durch das Land Brandenburg gefördert und ist Teil der neuen strategischen Initiative „DESY Quantum“. DESY Quantum umfasst Forschung und Entwicklung sowie Technologietransfer in den Bereichen Quantencomputing, Quantenmaterialien, Quantenkontrolle und Quantensensorik.
Originalveröffentlichung:
Quantum Computing for High-Energy Physics: State of the Art and Challenges. Summary of the QC4HEP Working Group; The QC4HEP Working Group; arXiv; DOI: 10.48550/arXiv.2307.03236
