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基于量子退火啟發(fā)的新型徑跡重建算法實現(xiàn)大規(guī)模對撞機應(yīng)用

2024-09-17 14:14:07來源：中國科學(xué)院高能物理研究所 閱讀量：51 評論

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導(dǎo)讀：近日，中國科學(xué)院高能物理研究所大川英希研究員和深圳量子科學(xué)與工程研究院翁文康教授團隊合作，將一種“量子退火啟發(fā)算法”成功地應(yīng)用于高亮度大型強子對撞機(HL-LHC)的徑跡重建中。

　　近日，中國科學(xué)院高能物理研究所大川英希研究員和深圳量子科學(xué)與工程研究院翁文康教授團隊合作，將一種“量子退火啟發(fā)算法”成功地應(yīng)用于高亮度大型強子對撞機(HL-LHC)的徑跡重建中。通過快速模擬得到的數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明其速度可提高約1萬倍。相關(guān)論文”Quantum-Annealing-Inspired Algorithms for Track Reconstruction at High-Energy Colliders” 已于2024年8月28日發(fā)表在Springer Computing and Software for Big Science雜志上(H Okawa, QG Zeng, XZ Tao, MH Yung, Comput. Softw. Big Sci. 8 (2024) 16).
 
　　未來的對撞機，如HL-LHC和環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)，將把我們帶入艾字節(jié)(exabyte，260字節(jié)，約等于1018字節(jié))數(shù)據(jù)時代，而處理這些數(shù)據(jù)需要巨大的計算資源。在HL-LHC，預(yù)計年計算成本將比目前的LHC增加10到20倍，其中徑跡重建是最消耗計算資源的計算任務(wù)，高能物理學(xué)家熱切期待有新的數(shù)據(jù)處理方法來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
 
　　在物理學(xué)中，退火是一種加熱和逐漸冷卻材料的過程，通過這種方法，可以讓材料內(nèi)部的原子排列得更加有序，從而降低其能量狀態(tài)。同樣，在計算中，我們可以使用一種叫做“模擬退火”的算法來解決優(yōu)化問題。模擬退火通過模擬物理退火過程，使系統(tǒng)逐步趨向于能量最低的狀態(tài)，從而找到解決問題的最佳方案。量子退火中的退火過程指從一個哈密頓系統(tǒng)演化到另一個哈密頓系統(tǒng)，根據(jù)量子絕熱定理，如果這個過程進行地足夠緩慢，則可保證系統(tǒng)所處的能級不改變。由此我們可以通過制備簡單系統(tǒng)的基態(tài)來得到復(fù)雜系統(tǒng)的基態(tài)。量子退火啟發(fā)算法是基于量子計算概念但“在經(jīng)典硬件上實現(xiàn)”的算法，其中特別是模擬分叉(SB)算法，在短時間內(nèi)解決組合優(yōu)化問題方面表現(xiàn)出色，可以在不到一秒內(nèi)解決包含上千個粒子規(guī)模的徑跡重建問題，該問題轉(zhuǎn)化為伊辛問題后的自旋數(shù)目高達十萬。
 
　　SB算法對“比特數(shù)量”幾乎沒有限制，可以直接處理超大規(guī)模(比特數(shù)目可達上億)的數(shù)據(jù)集。此外，與模擬退火不同，SB算法除了能夠在CPU上運行，也可在GPU和FPGA實現(xiàn)并行加速；而模擬退火因其固有局限性，只能串行地更新自旋，不適合并行處理。彈道SB(bSB)算法是SB算法的變種，與模擬退火算法Neal(一個實現(xiàn)模擬退火的Python庫)相比，在HL-LHC的最高徑跡多重性條件(圖1)下，其速度最高提升了約1萬倍(圖2)，并提供了出色的重建效率和純度。
 
　　這種新穎的量子啟發(fā)方法是面向未來的新技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于目前正在運行的對撞機實驗，如LHC和北京正負電子對撞機(BEPCII)的北京譜儀(BESIII)探測器， 也有望應(yīng)用于未來更大規(guī)模的對撞機。
 
　　圖1：研究中考慮的最高粒子多樣性事例顯示。綠色(紅色)線表示正確(不正確)重建的徑跡，而藍色線表示未重建的。此顯示是使用hepqpr-qallse框架生成的。
 
　　圖2：針對三種量子退火啟發(fā)算法評估的最高粒子多重性事例(9435個粒子，轉(zhuǎn)化為伊辛問題后的自旋數(shù)目為109,498)中伊辛能量的演化。實線表示50個執(zhí)行的平均值，而包絡(luò)線表示這些執(zhí)行中的最佳和最差情況。
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