量子計(jì)算機(jī)有望在科研領(lǐng)域“大顯身手”

2012年，歐洲大型強(qiáng)子對撞機(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，希格斯玻色子會衰變成更常見的玻色子，比如一對高能光子。

但每次LHC讓兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生對撞，都會產(chǎn)生數(shù)百個(gè)其他粒子，當(dāng)它們撞到探測器時(shí)，會被錯(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。”

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。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。”

ATLAS希格斯玻色子搜尋行動負(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，但在未來的實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)量會更大，屆時(shí)量子機(jī)器學(xué)習(xí)將“大顯身手”。