如果說今年春節(jié)檔的電影里面只推薦一部觀看的話,小編覺得非《流浪地球2》莫屬,同意的小伙伴請在評論區(qū)扣1。雖然小編不是一個科技迷,但是依然震撼于電影宏大的敘事、更加氣勢恢宏的特效技術以及更加精致和逼真的畫面,特別是太空電梯遭襲擊墜落的千鈞一發(fā)時刻,小編的心也跟著忐忑起來。作為工業(yè)品市場的小編,觀影的同時,“智能量子計算機550w”這個關鍵詞也讓小編的雷達頻頻作響。量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式,相比于經典計算方式,量子計算具有并行計算能力、運算速度快和存儲能力強等特點。這將會創(chuàng)造更多的應用可能性,在行業(yè)內量子計算涉及金融、交通、物流、航空、制藥、氣象等各個方向,儼然已經成為各個國家搶占軍事、經濟、科研等領域全方位優(yōu)勢的戰(zhàn)略制高點。
量子計算
量子計算領域的主要目標是建立大規(guī)模的容錯通用量子計算機。2019年,谷歌發(fā)布了“懸鈴木”,實現(xiàn)了具有53個量子比特的量子處理器。2021年,中科大潘建偉院士團隊構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”,計算復雜度相比“懸鈴木”提高了6個量級。目前的量子計算原型機只解決了特定的問題,而沒有解決普遍問題。
為實現(xiàn)大規(guī)模容錯通用量子計算機,學者們提出了幾種方法如超導、離子阱、中性原子、硅光量子等,但最終的贏家尚不可知。其中離子阱和中性原子量子計算通常會用到科研級相機。濱松采訪了大阪大學Takashi Yamamoto教授和Kobayashi副教授,他們正在使用ORCA-Quest進行中性原子量子計算。
中性原子量子計算
近年來,中性原子量子計算的發(fā)展勢頭強勁,已經成為量子計算競賽中的“黑馬”。基于中性原子的量子計算,一般在超高真空腔中利用遠失諧光偶極阱陣列或光晶格,從磁光阱或玻色愛因斯坦凝聚體(BEC)中捕獲并囚禁超冷的原子形成單原子陣列,然后將原子基態(tài)超精細能級的兩個磁子能級編碼為一個量子比特的0態(tài)和1態(tài)。系統(tǒng)中高數(shù)值孔徑透鏡將原子比特操控所需的拉曼光、里德伯激發(fā)光、態(tài)制備光等聚焦到單個原子上,形成對陣列中量子比特的操控。同時透鏡也收集原子的熒光并傳輸?shù)礁哽`敏度相機上實現(xiàn)量子態(tài)的探測。根據(jù)收集到的信息和實驗的需要, 通過傳統(tǒng)計算機上的數(shù)據(jù)采集和時序產生系統(tǒng),實時控制原子的冷卻、轉移以及相應的磁場、電場和光場來完成量子算法的執(zhí)行。
ORCA-Quest應用實例
在中性原子量子計算機中,中性原子在真空中被光鑷捕獲,并被排列在陣列中。使用科學級相機可以觀察被捕獲在光鑷陣列中的每個原子發(fā)射的熒光,以及觀察被俘獲原子的位置,甚至其量子態(tài)。這需要科學級相機必須具有高靈敏度(即低噪聲、高量子效率),從而消除假陽性,也就是說即使沒有來自原子的熒光,但是相機由于其自身靈敏度低而誤以為原子發(fā)射了熒光。由于該應用中使用實質上發(fā)射單光子的光源,因此,像ORCA-Quest這樣的高靈敏度相機是非常理想的選擇,在它拍攝的圖像上,可以逐個計數(shù)光子的數(shù)量。
此外,為了執(zhí)行量子比特糾錯,要求相機盡可能快地讀出量子比特的狀態(tài),并且根據(jù)狀態(tài)立即給出某些反饋。在讀出速度方面,ORCA-Quest等CMOS相機優(yōu)于傳統(tǒng)CCD相機。
Takashi Yamamoto教授表示,之前很多人在論文中將EMCCD相機用于中性原子量子計算,現(xiàn)在越來越多的人開始使用sCMOS相機,qCMOS相機在和EMCCD相同靈敏度的同時,也實現(xiàn)了EMCCD無法實現(xiàn)的光子定量功能(PNR),如果能夠找到有效利用PNR模式的方法,將會非常有意思。
Takashi Yamamoto教授還表示,他們目前正在致力于本地化的中性原子量子計算機這部分研究工作,因為還沒有科研團隊能創(chuàng)造出一個足夠大規(guī)模的針對量子計算的物理系統(tǒng),使其足以成為通用容錯量子計算機。
他們相信ORCA-Quest相機的像素足夠大【4096(H)×2304(V)】,將能夠用單個相機來捕捉原子。當比較濱松的ORCA-Quest和EMCCD這兩款相機的單原子陣列成像模擬結果時,覺得兩者看起來都不錯,但最終決定因素取決于qCMOS技術的未來,如“光子定量”功能等。
審核編輯 黃宇
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