歐洲核子研究中心的粒子物理數據處理技術訪談

距離歐洲核子研究中心（Cern）成為開放量子研究所（OQI）三年試點階段的基地已經過去一年多了。Cern是大型強子對撞機（LHC）的所在地，而OQI是一個多方利益相關者參與的全球性、科學外交驅動的倡議，其主要目標包括為所有人提供量子計算訪問權限并加速相關應用的發展。

在六月份于倫敦巴特西發電站舉辦的首屆量子數據中心聯盟論壇上，歐洲核子研究中心國際組織關系高級顧問兼首席科學家Archana Sharma接受了Computer Weekly的采訪。她將OQI描述為"對量子計算、量子網絡、量子計算機現狀的評估"，"讓我們能夠了解歐洲核子研究中心正在發生的事情"。

"歐洲核子研究中心的使命是粒子物理學，"她說。"我們不能停止粒子物理學研究而轉向量子計算機。"

但Sharma相信，量子技術的發展與歐洲核子研究中心的研究之間可能存在協同效應。她表示，粒子加速器中的加速過程是由各種力產生的，"加速過程中發生的所有過程都與量子力學密切相關"。

此外，量子力學是使粒子加速器的各種探測器能夠收集科學家實驗結果的關鍵技術。

這些實驗產生了大量數據。事實上，為支持歐洲核子研究中心粒子物理實驗而開發的技術——白兔（White Rabbit）——正被應用于量子計算的錯誤糾正。白兔是一個開源精確定時系統，具有亞納秒級精度，通過以太網分布。

英國量子網絡技術公司Nu Quantum最近加入了歐洲核子研究中心的白兔合作項目。來自歐洲核子研究中心的技術為Nu Quantum提供了一種在必要級別上實現同步的方法，以擴展量子計算網絡。

**為粒子物理學而進行的計算**

萬維網源于Tim Berners-Lee在歐洲核子研究中心時的想法，如今LHC的所在地維護著多個GitHub存儲庫，并為推進粒子物理學研究開發了多個開源平臺。

計算是歐洲核子研究中心的三大支柱之一。"第一個支柱是研究，"Sharma說。"第二個是基礎設施，即加速器、實驗和探測器。然后是計算。"

Sharma表示，歐洲核子研究中心一直在發展其計算中心能力，以滿足實驗所需基礎設施的要求。

"我們需要確保看到和記錄的都是好數據，"她說，這意味著歐洲核子研究中心必須將每秒4000萬次碰撞的數據首先篩選到大約1000次，然后再降到100次。

這種處理需要極其快速地進行，在粒子加速器中檢測到下一次碰撞之前完成。她說處理時間約為2.5毫秒。

用歐洲核子研究中心的術語來說，傳感器被稱為"通道"，每個實驗有100,000個這樣的通道需要處理。歐洲核子研究中心依靠模式識別和機器學習來幫助處理實驗期間產生的龐大數據集并創建仿真模型，正如Sharma解釋的："這是我們擁有的最大工具。我們運行了大量仿真來產生模型，告訴我們每次碰撞將如何被讀出。"

"我們需要確保看到和記錄的都是好數據"

Archana Sharma，歐洲核子研究中心

實際上，模型和仿真使歐洲核子研究中心能夠簡化觸發數據或碰撞的收集過程，這些數據被識別為來自實驗期間需要處理的100,000個通道傳感器的微小電信號。

觸發數據用于重建，其中來自傳感器的能量測量被匯總。重建實際上是使用觀察數據對實驗進行仿真。在企業IT中，這樣的設置可能被視為數字孿生的示例。然而，Sharma表示歐洲核子研究中心的仿真很接近，但不能完全歸類為數字孿生。

"我們不完全是數字孿生，因為物理學的軟件是概率性的。我們試圖盡可能接近，"她說。

**好的、壞的和明顯錯誤的**

在數據處理領域，手頭的任務是預測分析，因為它建立在使用預測理論的科學基礎上。"我們站在預測的肩膀上——我們測量并驗證我們被告知的與理論預測的對比，"Sharma說。

要么基于實驗收集數據的觀察結果支持理論，要么出現了錯誤。Sharma表示，錯誤的結果可能意味著理論不正確需要調整，或者可能意味著LHC本身存在校準錯誤。

LHC即將進入"技術停機"階段，這是一個三年的停機期，期間將進行升級以支持新科學。根據Sharma的說法，改進的一個領域是亮度提高10倍，她說這將使其能夠收集10倍的數據。

除了歐洲核子研究中心在基礎設施和探測器方面需要進行的工作外，Sharma表示歐洲核子研究中心的計算中心也在為需要處理的大量數據增長做準備。