《流浪地球2》里面的量子計(jì)算擊中了誰(shuí)？

如果說(shuō)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(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)扣1。雖然小編不是一個(gè)科技迷，但是依然震撼于電影宏大的敘事、更加氣勢(shì)恢宏的特效技術(shù)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(shí)刻，小編的心也跟著忐忑起來(lái)。作為工業(yè)品市場(chǎng)的小編，觀影的同時(shí)，“智能量子計(jì)算機(jī)550w”這個(gè)關(guān)鍵詞也讓小編的雷達(dá)頻頻作響。量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，相比于經(jīng)典計(jì)算方式，量子計(jì)算具有并行計(jì)算能力、運(yùn)算速度快和存儲(chǔ)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。這將會(huì)創(chuàng)造更多的應(yīng)用可能性，在行業(yè)內(nèi)量子計(jì)算涉及金融、交通、物流、航空、制藥、氣象等各個(gè)方向，儼然已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家搶占軍事、經(jīng)濟(jì)、科研等領(lǐng)域全方位優(yōu)勢(shì)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

量子計(jì)算

量子計(jì)算領(lǐng)域的主要目標(biāo)是建立大規(guī)模的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)。2019年，谷歌發(fā)布了“懸鈴木”，實(shí)現(xiàn)了具有53個(gè)量子比特的量子處理器。2021年，中科大潘建偉院士團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號(hào)”，計(jì)算復(fù)雜度相比“懸鈴木”提高了6個(gè)量級(jí)。目前的量子計(jì)算原型機(jī)只解決了特定的問題，而沒有解決普遍問題。

為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，學(xué)者們提出了幾種方法如超導(dǎo)、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(jì)算通常會(huì)用到科研級(jí)相機(jī)。濱松采訪了大阪大學(xué)Takashi Yamamoto教授和Kobayashi副教授，他們正在使用ORCA-Quest進(jìn)行中性原子量子計(jì)算。

中性原子量子計(jì)算

近年來(lái)，中性原子量子計(jì)算的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，已經(jīng)成為量子計(jì)算競(jìng)賽中的“黑馬”?；谥行栽拥牧孔佑?jì)算，一般在超高真空腔中利用遠(yuǎn)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(xì)能級(jí)的兩個(gè)磁子能級(jí)編碼為一個(gè)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(gè)原子上，形成對(duì)陣列中量子比特的操控。同時(shí)透鏡也收集原子的熒光并傳輸?shù)礁哽`敏度相機(jī)上實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的探測(cè)。根據(jù)收集到的信息和實(shí)驗(yàn)的需要, 通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集和時(shí)序產(chǎn)生系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制原子的冷卻、轉(zhuǎn)移以及相應(yīng)的磁場(chǎng)、電場(chǎng)和光場(chǎng)來(lái)完成量子算法的執(zhí)行。

ORCA-Quest應(yīng)用實(shí)例

在中性原子量子計(jì)算機(jī)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(xué)級(jí)相機(jī)可以觀察被捕獲在光鑷陣列中的每個(gè)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(xué)級(jí)相機(jī)必須具有高靈敏度(即低噪聲、高量子效率)，從而消除假陽(yáng)性，也就是說(shuō)即使沒有來(lái)自原子的熒光，但是相機(jī)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(yīng)用中使用實(shí)質(zhì)上發(fā)射單光子的光源，因此，像ORCA-Quest這樣的高靈敏度相機(jī)是非常理想的選擇，在它拍攝的圖像上，可以逐個(gè)計(jì)數(shù)光子的數(shù)量。

此外，為了執(zhí)行量子比特糾錯(cuò)，要求相機(jī)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(jī)優(yōu)于傳統(tǒng)CCD相機(jī)。

Takashi Yamamoto教授表示，之前很多人在論文中將EMCCD相機(jī)用于中性原子量子計(jì)算，現(xiàn)在越來(lái)越多的人開始使用sCMOS相機(jī)，qCMOS相機(jī)在和EMCCD相同靈敏度的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了EMCCD無(wú)法實(shí)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(huì)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(jì)算機(jī)這部分研究工作，因?yàn)檫€沒有科研團(tuán)隊(duì)能創(chuàng)造出一個(gè)足夠大規(guī)模的針對(duì)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)，使其足以成為通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

他們相信ORCA-Quest相機(jī)的像素足夠大【4096(H)×2304(V)】，將能夠用單個(gè)相機(jī)來(lái)捕捉原子。當(dāng)比較濱松的ORCA-Quest和EMCCD這兩款相機(jī)的單原子陣列成像模擬結(jié)果時(shí)，覺得兩者看起來(lái)都不錯(cuò)，但最終決定因素取決于qCMOS技術(shù)的未來(lái)，如“光子定量”功能等。

審核編輯 黃宇