通过 ORCA-Quest 成像单原子阵列以实现中性原子量子计算

　　量子计算领域的主要目标是创建大规模且容错的通用量子计算机。量子超越，意味着量子计算机表现出比经典计算机更优越的计算能力，谷歌已经用53个超导量子位实现了这一目标，但它是针对特定问题的解决方案，而不是针对一般问题。为了实现大规模通用量子计算机，人们提出了几种方法(例如超导量子位、俘获离子量子位)，但尚未确定哪一种是获胜者。科学相机通常用于具有中性原子的量子计算机，中性原子是最有前途的量子位之一。我们采访了大阪大学的 Takashi Yamamoto 教授和助理教授 Toshiki Kobayashi，他们正在使用 ORCA-Quest 进行中性原子量子计算。

　　ORCA-Quest 对中性原子量子计算的好处

　　在中性原子量子计算机中，中性原子被光镊捕获在真空中并在晶格中排列。科学相机的用途是看到被困在晶格中的每个原子发出的荧光，它可以观察被困原子的位置，甚至它们的量子态。科学相机的一个主要要求是低噪声和高量子效率，以消除误报，这意味着即使原子没有发出荧光，相机也会因其低灵敏度而误解原子发出的荧光。由于我们在应用中使用的光源本质上是发射单光子，因此像 ORCA-Quest 这样可以拍摄光子数量被逐个计数的图像的特殊相机将是非常理想的。

　　此外，为了对量子位进行纠错，对相机的另一个要求是相机必须尽快读出量子位的状态，并且必须根据状态立即应用一些反馈。就数据读取速度而言，ORCA-Quest 等 CMOS 相机优于传统 CCD 相机。

　　我看到很多人在论文中使用EM-CCD相机进行中性原子量子计算，但最近我感觉越来越多的人使用sCMOS相机，因为它们的性能提升。EM-CCD和sCMOS的技术正在显着进步，这两款相机的量子效率和噪声性能都处于很高的水平。在这种背景下，我们选择 ORCA-Quest 进行研究的决定性因素是光子数分辨 (PNR) 模式。我们对qCMOS技术抱有很高的期望，因为EM-CCD由于其传感器技术的原因无法实现PNR模式，我们相信如果我们能找到一种有效利用PNR模式的方法，那将是非常有趣的。

　　图片示例由 ORCA-Quest 提供

　　实验条件

　　原子：Rb (发射波长 780 nm)

　　原子间距：13 um

　　扫描模式：超静音扫描模式

　　分档：2x2

　　曝光时间：20 ms

　　原子在晶格位置的占据概率：约 50 %

　　单发

　　帧平均(200 帧)

　　右下晶格位点原子的强度直方图(4x4 像素 ROI 中的强度求和，200 帧)

　　大阪大学标志

　　研究的未来展望

　　如前所述，量子计算领域的主要目标是打造大规模容错通用量子计算机。容错通用量子计算机将非常大，并且估计需要大约原子，具体取决于算法和协议。为了实现这一目标，人们认为单一的物理系统是不够的，而网络化的量子计算机通过量子隐形传态连接多个物理系统，利用量子纠缠来转移量子态，并因此获得了诺贝尔物理学奖。 2022年授予，正在晋升。目前，我们正在努力研究本地原子量子计算机部分，因为还没有人创建用于量子计算的物理系统。

　　我们相信，凭借 ORCA-Quest 的大量像素(4096(H)x 2304(V))，我们将能够用单个相机捕获原子。当我们通过Hamamatsu提出的单原子阵列成像模拟结果来比较ORCA-Quest和EM-CCD时，我们觉得两者看起来都不错，但最终的决定因素是qCMOS技术的未来期望，例如“光子数”解决模式。