《流浪地球2》里面的量子计算击中了谁？

如果说今年春节档的电影里面只推荐一部观看的话，小编觉得非《流浪地球2》莫属，同意的小伙伴请在评论区扣1。虽然小编不是一个科技迷，但是依然震撼于电影宏大的叙事、更加气势恢宏的特效技术以及更加精致和逼真的画面，特别是太空电梯遭袭击坠落的千钧一发时刻，小编的心也跟着忐忑起来。作为工业品市场的小编，观影的同时，“智能量子计算机550w”这个关键词也让小编的雷达频频作响。量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，相比于经典计算方式，量子计算具有并行计算能力、运算速度快和存储能力强等特点。这将会创造更多的应用可能性，在行业内量子计算涉及金融、交通、物流、航空、制药、气象等各个方向，俨然已经成为各个国家抢占军事、经济、科研等领域全方位优势的战略制高点。

量子计算

量子计算领域的主要目标是建立大规模的容错通用量子计算机。2019年，谷歌发布了“悬铃木”，实现了具有53个量子比特的量子处理器。2021年，中科大潘建伟院士团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，计算复杂度相比“悬铃木”提高了6个量级。目前的量子计算原型机只解决了特定的问题，而没有解决普遍问题。

为实现大规模容错通用量子计算机，学者们提出了几种方法如超导、离子阱、中性原子、硅光量子等，但最终的赢家尚不可知。其中离子阱和中性原子量子计算通常会用到科研级相机。滨松采访了大阪大学Takashi Yamamoto教授和Kobayashi副教授，他们正在使用ORCA-Quest进行中性原子量子计算。

中性原子量子计算

近年来，中性原子量子计算的发展势头强劲，已经成为量子计算竞赛中的“黑马”。基于中性原子的量子计算，一般在超高真空腔中利用远失谐光偶极阱阵列或光晶格，从磁光阱或玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)中捕获并囚禁超冷的原子形成单原子阵列，然后将原子基态超精细能级的两个磁子能级编码为一个量子比特的0态和1态。系统中高数值孔径透镜将原子比特操控所需的拉曼光、里德伯激发光、态制备光等聚焦到单个原子上，形成对阵列中量子比特的操控。同时透镜也收集原子的荧光并传输到高灵敏度相机上实现量子态的探测。根据收集到的信息和实验的需要, 通过传统计算机上的数据采集和时序产生系统，实时控制原子的冷却、转移以及相应的磁场、电场和光场来完成量子算法的执行。

ORCA-Quest应用实例

在中性原子量子计算机中，中性原子在真空中被光镊捕获，并被排列在阵列中。使用科学级相机可以观察被捕获在光镊阵列中的每个原子发射的荧光，以及观察被俘获原子的位置，甚至其量子态。这需要科学级相机必须具有高灵敏度(即低噪声、高量子效率)，从而消除假阳性，也就是说即使没有来自原子的荧光，但是相机由于其自身灵敏度低而误以为原子发射了荧光。由于该应用中使用实质上发射单光子的光源，因此，像ORCA-Quest这样的高灵敏度相机是非常理想的选择，在它拍摄的图像上，可以逐个计数光子的数量。

此外，为了执行量子比特纠错，要求相机尽可能快地读出量子比特的状态，并且根据状态立即给出某些反馈。在读出速度方面，ORCA-Quest等CMOS相机优于传统CCD相机。

Takashi Yamamoto教授表示，之前很多人在论文中将EMCCD相机用于中性原子量子计算，现在越来越多的人开始使用sCMOS相机，qCMOS相机在和EMCCD相同灵敏度的同时，也实现了EMCCD无法实现的光子定量功能(PNR)，如果能够找到有效利用PNR模式的方法，将会非常有意思。

Takashi Yamamoto教授还表示，他们目前正在致力于本地化的中性原子量子计算机这部分研究工作，因为还没有科研团队能创造出一个足够大规模的针对量子计算的物理系统，使其足以成为通用容错量子计算机。

他们相信ORCA-Quest相机的像素足够大【4096(H)×2304(V)】，将能够用单个相机来捕捉原子。当比较滨松的ORCA-Quest和EMCCD这两款相机的单原子阵列成像模拟结果时，觉得两者看起来都不错，但最终决定因素取决于qCMOS技术的未来，如“光子定量”功能等。

审核编辑 黄宇