近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)合作，成功將量子退火啟發(fā)式算法應(yīng)用于環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）快速模擬數(shù)據(jù)的多噴注重建中。早前該團(tuán)隊(duì)已將該算法應(yīng)用于粒子徑跡重建，在保持高重建效率與純度的同時(shí)，較模擬退火算法（D-Wave Neal）實(shí)現(xiàn)約萬(wàn)倍加速，受到國(guó)外媒體關(guān)注。相關(guān)論文”Quantum-annealing-inspired algorithms for multijet clustering”?已于2025年4月1日發(fā)表在Physics Letters B雜志上（H Okawa, XZ Tao, QG Zeng, MH Yung, Phys. Lett. B, 864, (2025)?139393）.
噴注重建是一種聚類(lèi)問(wèn)題，也是高能對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的關(guān)鍵組成部分，旨在識(shí)別源自夸克與膠子碎裂強(qiáng)子化產(chǎn)生的準(zhǔn)直粒子群。這一復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題通常需要大量的計(jì)算資源。在本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)將噴注重建轉(zhuǎn)化為二次無(wú)約束二元優(yōu)化（QUBO）問(wèn)題（等價(jià)于Ising問(wèn)題），并引入了新的量子退火啟發(fā)式算法，用于在CEPC快速模擬事例中對(duì)多噴注進(jìn)行聚集。其中一種受量子退火啟發(fā)的算法——彈道模擬分岔算法（ballistic simulated bifurcation; bSB），有效克服了此前量子退火方法在多噴注聚類(lèi)中的瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，QUBO矩陣中定義的距離和QUBO求解器的預(yù)測(cè)能力對(duì)多噴注聚類(lèi)性能都有至關(guān)重要的影響（圖1）。
在此背景下，量子退火啟發(fā)式算法，尤其是模擬分岔算法（圖2），因其在解決組合優(yōu)化問(wèn)題上的高效表現(xiàn)而受到關(guān)注。該算法模擬了一個(gè)經(jīng)典的非線(xiàn)性哈密頓系統(tǒng)的演化過(guò)程，并將伊辛模型編碼到系統(tǒng)最終狀態(tài)，以獲得問(wèn)題的近似最優(yōu)解。與真實(shí)量子計(jì)算機(jī)算法不同，模擬分岔算法不僅不受“量子比特?cái)?shù)量”的限制，能夠直接處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，而且適合在GPU和FPGA等硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。
多噴注全局重建需計(jì)算所有粒子流候選間的距離，因此其QUBO矩陣通常為全連接（即所有元素非零），與徑跡重建中稀疏QUBO矩陣形成鮮明對(duì)比。全連接QUBO的基態(tài)預(yù)測(cè)極具挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致此前量子算法在多噴注重建中表現(xiàn)不佳。然而，本研究表明，高性能QUBO求解器（尤其是bSB）能夠突破這一限制。即使在高連通性QUBO條件下，bSB仍展現(xiàn)出強(qiáng)大的組合優(yōu)化能力。這種基于bSB的全局重建有望將多噴注情況下的不變質(zhì)量分辨率提高7%（圖3，ttbar事例）。本項(xiàng)研究開(kāi)辟了基于量子啟發(fā)算法的全局重建多噴注新方法，突破了傳統(tǒng)迭代方法的局限。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139393?
既往徑跡重建論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s41781-024-00126-z
圖1：顯示來(lái)自ttbar事例，其中噴注由bSB算法重建（a），或者使用既往研究的距離定義進(jìn)行模擬退火算法（b）。每個(gè)圓圈代表一個(gè)粒子流候選，其大小與能量成正比。每種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的噴注。
圖2：演示模擬分岔算法求解簡(jiǎn)單的兩個(gè)自旋Ising模型，其中x和y軸表示兩個(gè)自旋變量的值，z軸表示能量。
圖3：用傳統(tǒng)方法（FastJet）或bSB重建的具有噴注的頂夸克的不變質(zhì)量。
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