《流浪地球2》里面的量子計算擊中了誰？

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(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(jī)550w”這個關(guān)鍵詞也讓小編的雷達(dá)頻頻作響。量子計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)行計算的新型計算模式，相比于經(jīng)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(yīng)用可能性，在行業(yè)內(nèi)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(jīng)成為各個國家搶占軍事、經(jīng)濟(jì)、科研等領(lǐng)域全方位優(yōu)勢的戰(zhàn)略制高點。

量子計算

量子計算領(lǐng)域的主要目標(biāo)是建立大規(guī)模的容錯通用量子計算機(jī)。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(tuán)隊構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之二號”，計算復(fù)雜度相比“懸鈴木”提高了6個量級。目前的量子計算原型機(jī)只解決了特定的問題，而沒有解決普遍問題。

為實現(xiàn)大規(guī)模容錯通用量子計算機(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算通常會用到科研級相機(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(jīng)成為量子計算競賽中的“黑馬”?；谥行栽拥牧孔佑嬎悖话阍诔哒婵涨恢欣眠h(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(jī)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(jī)上的數(shù)據(jù)采集和時序產(chǎn)生系統(tǒng)，實時控制原子的冷卻、轉(zhuǎn)移以及相應(yīng)的磁場、電場和光場來完成量子算法的執(zhí)行。

ORCA-Quest應(yīng)用實例

在中性原子量子計算機(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)級相機(jī)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(xué)級相機(jī)必須具有高靈敏度(即低噪聲、高量子效率)，從而消除假陽性，也就是說即使沒有來自原子的熒光，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(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算，現(xiàn)在越來越多的人開始使用sCMOS相機(jī)，qCMOS相機(jī)在和EMCCD相同靈敏度的同時，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(jī)這部分研究工作，因為還沒有科研團(tuán)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(jī)。

他們相信ORCA-Quest相機(jī)的像素足夠大【4096(H)×2304(V)】，將能夠用單個相機(jī)來捕捉原子。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，覺得兩者看起來都不錯，但最終決定因素取決于qCMOS技術(shù)的未來，如“光子定量”功能等。

審核編輯 黃宇