Application of quantum computing for particle physics event generators
| Project/Area Number |
20K22347
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0203:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
飯山 悠太郎 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (10878177)
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| Project Period (FY) |
2020-09-11 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 量子コンピュータ / 高エネルギー物理学 / 場の量子論 / イベントジェネレータ / 量子コンピューティング / 実験素粒子物理 / 素粒子物理シミュレーション / 素粒子物理学シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
素粒子物理学の実験では、物理法則に基づいて様々な粒子の振る舞いを計算するプログラム（イベントジェネレータ）が重要な役割を果たす。しかし、今後の実験手法や実験で扱うエネルギーの高度化によって、これまでのイベントジェネレータでは必要な計算量が爆発的に増加し、計算資源が不足することが予想される。一方、量子コンピューティング技術が近年目覚ましい発展を遂げており、本格的な実用に耐えうる量子計算機も現実性を帯びてきた。本研究では、量子計算機が莫大な数の並列計算を行える、出力が確率的であるなどの特性に着目し、これをイベントジェネレータに用いることで、計算量爆発の課題を克服する道筋を立てることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度に、当初の研究計画にあった2つの段階のうちの第1段階が原理的に難しいことが明らかになり、第2段階（粒子散乱過程の素粒子物理学的記述からの直接シミュレーション）に専念することを決めた。2022年度は引き続きこの課題に取り組んだ。
素粒子物理学の基礎である場の量子論は多体系の量子力学の無限自由度極限として捉えることができる。通常、場の量子論を計算機（古典・量子問わず）上でシミュレートする場合は、無限の自由度（連続時空）を離散有限な格子で代表させる。この場合、量子コンピュータ上でのシミュレーションでは、格子点の数と計算に必要な量子ビットの数が比例し、特に高エネルギー過程の計算には莫大な数の量子ビットを使用することになる。しかし、高エネルギーの粒子散乱過程で摂動計算が可能な場合、摂動の各次数では有限個の粒子しか寄与しないということに着目すると、粒子ベースの離散化、つまり多体系の量子力学への還元というアプローチを考えることができる。このアプローチでは、必要な量子ビット数はシミュレーションに含める粒子の数に比例し、格子点の数（位置と運動量の双対関係より、粒子の運動量のダイナミックレンジに相当）については対数的にスケールする。
この粒子ベースでのシミュレーションの基礎を2021年度に本研究において独自に定式化していたが、その後2020年のBarataらの論文[1]でほぼ同じ内容が提唱されていたことがわかり、本研究のアプローチの有効性が裏付けられた。2022年度は、この論文で提示されたアルゴリズムの量子計算シミュレータ上での実装を行った。
[1] Barata et al. Physical Review. A 103 (4): 042410.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
粒子ベースの場の量子論の離散化は実装例のない手法であり、基礎部分から詳細に検討を進めていくことに想定以上の時間を要した。また、部局内の別プロジェクトで研究代表者の専門知識が必要となり、エフォートの実配分が変わってしまった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、定式化された内容に沿って粒子ベースの散乱シミュレーションを実装していく。粒子ベースの場合、量子計算に必要なゲート数は格子ベースでの場の量子論シミュレーションに比較して少ないが、それでも現存の量子コンピュータ実機で精度良く計算を終わらせられる範囲にはならないので、古典コンピュータ上の量子計算シミュレータでの実装が主になる。その際、通常のワークステーション等で計算を行える量子ビット数（35程度）を超えた計算も必要になるため、東京大学の擁するスーパーコンピュータの利用を計画している。
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Report
(3 results)
Research Products
(3 results)
