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《流浪地球2》里面的量子計算擊中了誰?

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-07-14 06:55 ? 次閱讀

如果說今年春節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時刻,小編的心也跟著忐忑起來。作為工業品市場的小編,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。這將會創造更多的應用可能性,在行業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勢的戰略制高點。

量子計算

量子計算領域的主要目標是建立大規模的容錯通用量子計算機。2019年,谷歌發布了“懸鈴木”,實現了具有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。

為實現大規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。

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中性原子量子計算

近年來,中性原子量子計算的發展勢頭強勁,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,然后將原子基態超精細能級的兩個磁子能級編碼為一個量子比特的0態和1態。系統中高數值孔徑透鏡將原子比特操控所需的拉曼光、里德伯激發光、態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到高靈敏度相機上實現量子態的探測。根據收集到的信息和實驗的需要, 通過傳統計算機上的數據采集和時序產生系統,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射的熒光,以及觀察被俘獲原子的位置,甚至其量子態。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射了熒光。由于該應用中使用實質上發射單光子的光源,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,可以逐個計數光子的數量。

此外,為了執行量子比特糾錯,要求相機盡可能快地讀出量子比特的狀態,并且根據狀態立即給出某些反饋。在讀出速度方面,ORCA-Quest等CMOS相機優于傳統CCD相機。

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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,也實現了EMCCD無法實現的光子定量功能(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造出一個足夠大規模的針對量子計算的物理系統,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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