中国科学院理论物理所

2023年4月13日  

项目基本情况简介（一）

项目名称：新时代的张量网络计算理论与方法：从机器学习到量子计算

推荐等级：北京市科学技术奖自然科学奖 二等奖

主要完成人：张潘、潘峰、王磊、刘金国、周鹏飞、李素洁、吴典、韩兆宇、王峻

主要完成单位：中国科学院理论物理所、中国科学院物理研究所、北京大学

项目简介：机器学习关心大量数据变量之间的联合分布概率，统计物理研究大量微观自旋的联合分布，量子计算研究如何在指数大的希尔伯特空间中的概率幅的操纵。这些领域中的关键问题都需要研究指数大高维空间中的变量分布，然而目前缺乏通用的方法对不同问题对应高维线性空间中的性质进行研究。本项目从张量网络的视角，提出了创新的理论和方法，给出了这些问题的统一解决方法。

项目完成了以下成果：

1. 建立了可以适用于任意图的张量重整化理论(CATN)，融合定义在极大-加法半环上的“Tropical”代数系统创造出Tropical张量网络方法直接研究零温下的统计物理的基态能量和零点熵问题。

2. 提出了基于张量网络的机器学习模型玻恩学习机(Born Machine)，国际上首次提出利用量子波函数的概率幅模平方来编码经典数据的概率分布，引领了张量网络与无监督学习这个交叉领域的后续研究。

3. 新方法应用于量子计算机的经典模拟，获突破性成果，首次成功模拟谷歌量子霸权线路，终结了谷歌的量子霸权。2021年10月，国家超算团队在新的神威超级计算机上实现了张潘研究员所提出的张量网络方法，因此获得了2021年世界高性能计算最高奖（也称为高性能计算诺贝尔奖的）戈登-贝尔奖。成果入选科技媒体评选的2022国际量子科技十大进展，主要完成人入选2022年中国智能计算科技创新人物。相关研究论文发表于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论文被遴选为PRL编辑推荐论文。

项目基本情况简介（二）

项目名称：引力波和宇宙演化

推荐等级：北京市科学技术奖自然科学奖 一等奖或特等奖

主要完成人：郭宗宽

主要完成单位：中国科学院理论物理所

项目简介：美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）在2016 年2 月份宣布首次直接探测到了引力波，接着在6 月份宣布了第二例引力波观测结果。引力波携带着整个宇宙演化的信息，是宇宙物理的重要探针。因此，引力波的发现为人类探索宇宙的奥秘提供了一种全新的手段，为天文观测打开了一扇全新的窗口，开启了引力波天文学的序幕。相信在不久的将来会有大量的引力波信号被探测到，将实现从探测引力波到观测引力波的战略性转变，人们从这些观测到的引力波信号可以理解宇宙的起源和演化，可以探讨暗物质和暗能量的物理本质。

本项目取得如下重大科学发现：

（1）提出LISA-Taiji空间引力波探测器网络的概念，以实现对超大质量双黑洞系统的快速和精确定位。相对于单个空间引力波探测器，探测器网络对双黑洞系统的空间定位能提高1万倍，这为探测双黑洞并合时产生的电磁信号提供了预警时间，也为双黑洞系统作为标准汽笛来测量宇宙膨胀提供了距离红移。探测网络为我国空间引力波探测项目提供了可能的国际合作方案。相关研究发表在《自然》子刊和《研究》。本成果入选了“2021年中国重大科学、技术和工程进展”的27项重大科学进展的候选条目。

（2）提出了暴涨结束后产生随机引力波背景的新机制。利用格点方法数值模拟了线性势函数产生的引力波能量谱，发现能量谱具有典型的双峰结构，能量谱的大小不依赖模型参数，而能量谱的峰值频率依赖于暴涨发生的能标。给定合适的暴涨能标，预言的双峰引力波能量谱能够被将来的LIGO实验探测到。因此，如果LIGO实验探测到该随机引力波背景，我们就可以确定暴涨发生的能标。相关研究发表在国际顶级期刊《物理评论快报》。

（3）提出了新的机制产生强各向异性的随机引力波背景。利用半解析方法得到预言的引力波能量谱和各向异性。与以前的研究最大的不同是，这类模型产生的随机引力波背景各向异性很大，在大尺度上角功率谱可以达到大于0.01，这有望被SKA等探测器观测到。通过随机引力波背景的角功率谱的观测可以对暴涨能标提供更严格的限制。该模型也可以对NANOGrav合作组12.5年的观测结果给出解释。相关研究发表在国际顶级期刊《物理评论快报》。

（4）系统研究了我国空间引力波探测项目-太极的引力波源，首次给出了太极的灵敏度曲线，并分析了太极对超大质量双黑洞系统的探测能力。本项目给出的灵敏度曲线被国内外同行的采用，被引用260余次（INSPIRE数据库）。