通過(guò) ORCA-Quest 成像單原子陣列以實(shí)現(xiàn)中性原子量子計(jì)算

量子計(jì)算領(lǐng)域的主要目標(biāo)是創(chuàng)建大規(guī)模且容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)。量子超越，意味著量子計(jì)算機(jī)表現(xiàn)出比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更優(yōu)越的計(jì)算能力，谷歌已經(jīng)用53個(gè)超導(dǎo)量子位實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，但它是針對(duì)特定問(wèn)題的解決方案，而不是針對(duì)一般問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)，人們提出了幾種方法(例如超導(dǎo)量子位、俘獲離子量子位)，但尚未確定哪一種是獲勝者?？茖W(xué)相機(jī)通常用于具有中性原子的量子計(jì)算機(jī)，中性原子是最有前途的量子位之一。我們采訪了大阪大學(xué)的 Takashi Yamamoto 教授和助理教授 Toshiki Kobayashi，他們正在使用 ORCA-Quest 進(jìn)行中性原子量子計(jì)算。

ORCA-Quest 對(duì)中性原子量子計(jì)算的好處

在中性原子量子計(jì)算機(jī)中，中性原子被光鑷捕獲在真空中并在晶格中排列。科學(xué)相機(jī)的用途是看到被困在晶格中的每個(gè)原子發(fā)出的熒光，它可以觀察被困原子的位置，甚至它們的量子態(tài)?？茖W(xué)相機(jī)的一個(gè)主要要求是低噪聲和高量子效率，以消除誤報(bào)，這意味著即使原子沒(méi)有發(fā)出熒光，相機(jī)也會(huì)因其低靈敏度而誤解原子發(fā)出的熒光。由于我們?cè)趹?yīng)用中使用的光源本質(zhì)上是發(fā)射單光子，因此像 ORCA-Quest 這樣可以拍攝光子數(shù)量被逐個(gè)計(jì)數(shù)的圖像的特殊相機(jī)將是非常理想的。

此外，為了對(duì)量子位進(jìn)行糾錯(cuò)，對(duì)相機(jī)的另一個(gè)要求是相機(jī)必須盡快讀出量子位的狀態(tài)，并且必須根據(jù)狀態(tài)立即應(yīng)用一些反饋。就數(shù)據(jù)讀取速度而言，ORCA-Quest 等 CMOS 相機(jī)優(yōu)于傳統(tǒng) CCD 相機(jī)。

我看到很多人在論文中使用EM-CCD相機(jī)進(jìn)行中性原子量子計(jì)算，但最近我感覺(jué)越來(lái)越多的人使用sCMOS相機(jī)，因?yàn)樗鼈兊男阅芴嵘?。EM-CCD和sCMOS的技術(shù)正在顯著進(jìn)步，這兩款相機(jī)的量子效率和噪聲性能都處于很高的水平。在這種背景下，我們選擇 ORCA-Quest 進(jìn)行研究的決定性因素是光子數(shù)分辨 (PNR) 模式。我們對(duì)qCMOS技術(shù)抱有很高的期望，因?yàn)镋M-CCD由于其傳感器技術(shù)的原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)PNR模式，我們相信如果我們能找到一種有效利用PNR模式的方法，那將是非常有趣的。

圖片示例由 ORCA-Quest 提供

實(shí)驗(yàn)條件

原子：Rb (發(fā)射波長(zhǎng) 780 nm)

原子間距：13 um

掃描模式：超靜音掃描模式

分檔：2x2

曝光時(shí)間：20 ms

原子在晶格位置的占據(jù)概率：約 50 %

單發(fā)

幀平均(200 幀)

右下晶格位點(diǎn)原子的強(qiáng)度直方圖(4x4 像素 ROI 中的強(qiáng)度求和，200 幀)

大阪大學(xué)標(biāo)志

研究的未來(lái)展望

如前所述，量子計(jì)算領(lǐng)域的主要目標(biāo)是打造大規(guī)模容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)。容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)將非常大，并且估計(jì)需要大約原子，具體取決于算法和協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們認(rèn)為單一的物理系統(tǒng)是不夠的，而網(wǎng)絡(luò)化的量子計(jì)算機(jī)通過(guò)量子隱形傳態(tài)連接多個(gè)物理系統(tǒng)，利用量子糾纏來(lái)轉(zhuǎn)移量子態(tài)，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 2022年授予，正在晉升。目前，我們正在努力研究本地原子量子計(jì)算機(jī)部分，因?yàn)檫€沒(méi)有人創(chuàng)建用于量子計(jì)算的物理系統(tǒng)。

我們相信，憑借 ORCA-Quest 的大量像素(4096(H)x 2304(V))，我們將能夠用單個(gè)相機(jī)捕獲原子。當(dāng)我們通過(guò)Hamamatsu提出的單原子陣列成像模擬結(jié)果來(lái)比較ORCA-Quest和EM-CCD時(shí)，我們覺(jué)得兩者看起來(lái)都不錯(cuò)，但最終的決定因素是qCMOS技術(shù)的未來(lái)期望，例如“光子數(shù)”解決模式。

審核編輯 黃宇