中國科學(xué)院理論物理所

2023年4月13日  

項目基本情況簡介（一）

項目名稱：新時代的張量網(wǎng)絡(luò)計算理論與方法：從機(jī)器學(xué)習(xí)到量子計算

推薦等級：北京市科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎 二等獎

主要完成人：張潘、潘峰、王磊、劉金國、周鵬飛、李素潔、吳典、韓兆宇、王峻

主要完成單位：中國科學(xué)院理論物理所、中國科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)

項目簡介：機(jī)器學(xué)習(xí)關(guān)心大量數(shù)據(jù)變量之間的聯(lián)合分布概率，統(tǒng)計物理研究大量微觀自旋的聯(lián)合分布，量子計算研究如何在指數(shù)大的希爾伯特空間中的概率幅的操縱。這些領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題都需要研究指數(shù)大高維空間中的變量分布，然而目前缺乏通用的方法對不同問題對應(yīng)高維線性空間中的性質(zhì)進(jìn)行研究。本項目從張量網(wǎng)絡(luò)的視角，提出了創(chuàng)新的理論和方法，給出了這些問題的統(tǒng)一解決方法。

項目完成了以下成果：

1. 建立了可以適用于任意圖的張量重整化理論(CATN)，融合定義在極大-加法半環(huán)上的“Tropical”代數(shù)系統(tǒng)創(chuàng)造出Tropical張量網(wǎng)絡(luò)方法直接研究零溫下的統(tǒng)計物理的基態(tài)能量和零點熵問題。

2. 提出了基于張量網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型玻恩學(xué)習(xí)機(jī)(Born Machine)，國際上首次提出利用量子波函數(shù)的概率幅模平方來編碼經(jīng)典數(shù)據(jù)的概率分布，引領(lǐng)了張量網(wǎng)絡(luò)與無監(jiān)督學(xué)習(xí)這個交叉領(lǐng)域的后續(xù)研究。

3. 新方法應(yīng)用于量子計算機(jī)的經(jīng)典模擬，獲突破性成果，首次成功模擬谷歌量子霸權(quán)線路，終結(jié)了谷歌的量子霸權(quán)。2021年10月，國家超算團(tuán)隊在新的神威超級計算機(jī)上實現(xiàn)了張潘研究員所提出的張量網(wǎng)絡(luò)方法，因此獲得了2021年世界高性能計算最高獎（也稱為高性能計算諾貝爾獎的）戈登-貝爾獎。成果入選科技媒體評選的2022國際量子科技十大進(jìn)展，主要完成人入選2022年中國智能計算科技創(chuàng)新人物。相關(guān)研究論文發(fā)表于Physical Review X 8, 031012 (2018), Physical Review Letters 122, 080602 (2019), Physical Review Letters 125, 060503 (2020), Physical Review Letters 126, 090506 (2021)，以及Physical Review Letters 128, 030501(2022)，其中PRL2019和PRL2022論文被遴選為PRL編輯推薦論文。

項目基本情況簡介（二）

項目名稱：引力波和宇宙演化

推薦等級：北京市科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎 一等獎或特等獎

主要完成人：郭宗寬

主要完成單位：中國科學(xué)院理論物理所

項目簡介：美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）在2016 年2 月份宣布首次直接探測到了引力波，接著在6 月份宣布了第二例引力波觀測結(jié)果。引力波攜帶著整個宇宙演化的信息，是宇宙物理的重要探針。因此，引力波的發(fā)現(xiàn)為人類探索宇宙的奧秘提供了一種全新的手段，為天文觀測打開了一扇全新的窗口，開啟了引力波天文學(xué)的序幕。相信在不久的將來會有大量的引力波信號被探測到，將實現(xiàn)從探測引力波到觀測引力波的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，人們從這些觀測到的引力波信號可以理解宇宙的起源和演化，可以探討暗物質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)。

本項目取得如下重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：

（1）提出LISA-Taiji空間引力波探測器網(wǎng)絡(luò)的概念，以實現(xiàn)對超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的快速和精確定位。相對于單個空間引力波探測器，探測器網(wǎng)絡(luò)對雙黑洞系統(tǒng)的空間定位能提高1萬倍，這為探測雙黑洞并合時產(chǎn)生的電磁信號提供了預(yù)警時間，也為雙黑洞系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)汽笛來測量宇宙膨脹提供了距離紅移。探測網(wǎng)絡(luò)為我國空間引力波探測項目提供了可能的國際合作方案。相關(guān)研究發(fā)表在《自然》子刊和《研究》。本成果入選了“2021年中國重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展”的27項重大科學(xué)進(jìn)展的候選條目。

（2）提出了暴漲結(jié)束后產(chǎn)生隨機(jī)引力波背景的新機(jī)制。利用格點方法數(shù)值模擬了線性勢函數(shù)產(chǎn)生的引力波能量譜，發(fā)現(xiàn)能量譜具有典型的雙峰結(jié)構(gòu)，能量譜的大小不依賴模型參數(shù)，而能量譜的峰值頻率依賴于暴漲發(fā)生的能標(biāo)。給定合適的暴漲能標(biāo)，預(yù)言的雙峰引力波能量譜能夠被將來的LIGO實驗探測到。因此，如果LIGO實驗探測到該隨機(jī)引力波背景，我們就可以確定暴漲發(fā)生的能標(biāo)。相關(guān)研究發(fā)表在國際頂級期刊《物理評論快報》。

（3）提出了新的機(jī)制產(chǎn)生強各向異性的隨機(jī)引力波背景。利用半解析方法得到預(yù)言的引力波能量譜和各向異性。與以前的研究最大的不同是，這類模型產(chǎn)生的隨機(jī)引力波背景各向異性很大，在大尺度上角功率譜可以達(dá)到大于0.01，這有望被SKA等探測器觀測到。通過隨機(jī)引力波背景的角功率譜的觀測可以對暴漲能標(biāo)提供更嚴(yán)格的限制。該模型也可以對NANOGrav合作組12.5年的觀測結(jié)果給出解釋。相關(guān)研究發(fā)表在國際頂級期刊《物理評論快報》。

（4）系統(tǒng)研究了我國空間引力波探測項目-太極的引力波源，首次給出了太極的靈敏度曲線，并分析了太極對超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的探測能力。本項目給出的靈敏度曲線被國內(nèi)外同行的采用，被引用260余次（INSPIRE數(shù)據(jù)庫）。