热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

基于量子退火启发的新型径迹重建算法实现大规模对撞机应用

近日,中国科学院高能物理研究所大川英希研究员和深圳量子科学与工程研究院翁文康教授团队合作,将一种“量子退火启发算法”成功地应用于高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)的径迹重建中。通过快速模拟得到的数据测试结果表明其速度可提高约1万倍。相关论文”Quantum-Annealing-Inspired Algorithms for Track Reconstruction at High-Energy Colliders” 已于2024年8月28日发表在Springer Computing and Software for Big Science杂志上(H Okawa, QG Zeng, XZ Tao, MH Yung, Comput. Softw. Big Sci. 8 (2024) 16).

未来的对撞机,如HL-LHC和环形正负电子对撞机(CEPC),将把我们带入艾字节(exabyte,260字节,约等于1018字节)数据时代,而处理这些数据需要巨大的计算资源。在HL-LHC,预计年计算成本将比目前的LHC增加10到20倍,其中径迹重建是最消耗计算资源的计算任务,高能物理学家热切期待有新的数据处理方法来应对这一挑战。

在物理学中,退火是一种加热和逐渐冷却材料的过程,通过这种方法,可以让材料内部的原子排列得更加有序,从而降低其能量状态。同样,在计算中,我们可以使用一种叫做“模拟退火”的算法来解决优化问题。模拟退火通过模拟物理退火过程,使系统逐步趋向于能量最低的状态,从而找到解决问题的最佳方案。量子退火中的退火过程指从一个哈密顿系统演化到另一个哈密顿系统,根据量子绝热定理,如果这个过程进行地足够缓慢,则可保证系统所处的能级不改变。由此我们可以通过制备简单系统的基态来得到复杂系统的基态。量子退火启发算法是基于量子计算概念但“在经典硬件上实现”的算法,其中特别是模拟分叉(SB)算法,在短时间内解决组合优化问题方面表现出色,可以在不到一秒内解决包含上千个粒子规模的径迹重建问题,该问题转化为伊辛问题后的自旋数目高达十万。

SB算法对“比特数量”几乎没有限制,可以直接处理超大规模(比特数目可达上亿)的数据集。此外,与模拟退火不同,SB算法除了能够在CPU上运行,也可在GPU和FPGA实现并行加速;而模拟退火因其固有局限性,只能串行地更新自旋,不适合并行处理。弹道SB(bSB)算法是SB算法的变种,与模拟退火算法Neal(一个实现模拟退火的Python库)相比,在HL-LHC的最高径迹多重性条件(图1)下,其速度最高提升了约1万倍(图2),并提供了出色的重建效率和纯度。

这种新颖的量子启发方法是面向未来的新技术,不仅可以应用于目前正在运行的对撞机实验,如LHC和北京正负电子对撞机(BEPCII)的北京谱仪(BESIII)探测器, 也有望应用于未来更大规模的对撞机。

图1:研究中考虑的最高粒子多样性事例显示。绿色(红色)线表示正确(不正确)重建的径迹,而蓝色线表示未重建的。此显示是使用hepqpr-qallse框架生成的。



推荐阅读

中国核学会同位素分离分会学术年会暨王承书学术研讨会成功举办

9月25日,由中国核学会同位素分离分会、中国原子能工业有限公司主办,核工业理化工程研究院承办的2024年度中国核学会同位素分离分会学术年会暨王承书学术研讨会在津召开。同位素分离分会理事长、中核集团首席科学家王黎明,清华大学技术物理研究所教授曾实,核理化院副院长刘成业,中核八所总工程师、副所长徐哲军等出席会议。会议由同位素分离分会副理事长、清华大学工程物理系教授周明胜主持。来自十余家单位的60余名同位素分离领域专家齐... 2024-09-27

这一领域首个全国重点实验室启动建设!

9月22日,铀资源探采与核遥感全国重点实验室(以下简称实验室)建设启动会在北京隆重举行,标志着铀资源与核遥感领域开启高水平科技自立自强、加快新质生产力发展新阶段。该实验室是我国天然铀和核遥感领域的首个全国重点实验室,凝聚了全国优秀研究力量,由核工业北京地质研究院、核工业北京化工冶金研究院和东华理工大学联合共建。刘敬为实验室依托单位授牌。刘敬指出,实验室建设发展过程中,要充分发挥学术委员会专家作用,做到项目选题把好关... 2024-09-26

三代核电新突破!首台主泵变频器国产化改造完成

9月24日19时08分,海阳核电2号机组第四次换料大修完成,机组一次并网成功。利用此次大修窗口,山东核电联合上海核工院、国核院、上海能传和中核五公司,完成了国内AP1000机组60Hz可长期满载运行的首台主泵变频器国产化替代改造,进一步提升了AP1000机组运行可靠性与经济性,增强了自主可控能力,对于我国核电技术进步发展具有重要意义,是三代核电技术的一项重要突破。为提升三代核电主泵供电可靠性,山东核电联合上海核工院、国核院、上海能传等单位... 2024-09-26

FAST核心阵科学和技术研讨会召开

北京时间2024年9月25日,正值中国天眼FAST落成启用八周年之际,FAST核心阵科学和技术研讨会在贵州省平塘县克度镇召开,来自国内科研机构、高校共28家单位的逾百位专家学者齐聚一堂,就FAST核心阵的科学和技术研究及FAST未来发展进行深入研讨与广泛交流,共同谋划FAST核心阵的科学规划和建设。作为中国乃至世界射电天文学领域的一个重要里程碑,500米口径球面射电望远镜(FAST),被誉为中国天眼,自2016年9月25日落成以来,已经取得了多项世界级的科学... 2024-09-26

慕尼黑初创公司Marvel Fusion利用多达20 台IDS摄像机支持其核聚变真空室研究

核聚变被视为解决未来能源问题的一种可能的解决方案——清洁且风险相对较低。小原子核在极端温度和压力下聚变,而不是像传统核电站的反应堆那样分裂。恒星中也发生着类似的过程,因此太阳中也是如此。这会产生巨大的能量——而不会释放二氧化碳。利用核聚变以气候中性的方式产生大量能源的想法被认为是人类的梦想。然而,核聚变在技术上要求极高,实现它不仅需要巨额投资,还需要雄心勃勃的研究和开发。总部位于慕尼黑的初创公司 Marvel Fusi... 2024-09-26

阅读排行榜