科學(xué)家們利用高性能計算以前所未有的規(guī)模分析量子探測器，從而徹底改變了量子光子學(xué)領(lǐng)域。

他們的創(chuàng)新方法包括對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行層析重建，從而實現(xiàn)對光子探測器的快速、高效鑒定。這一發(fā)展有望極大地促進(jìn)量子研究，為量子計算和通信領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用鋪平道路。

帕德博恩大學(xué)的科學(xué)家首次將大規(guī)模高性能計算（HPC）用于分析量子光子學(xué)實驗。具體來說，這涉及利用層析技術(shù)重建量子探測器（一種能夠測量單個光子或光粒子的設(shè)備）的實驗數(shù)據(jù)。為此，研究團(tuán)隊開發(fā)了創(chuàng)新的高性能計算軟件。他們的突破性研究成果發(fā)表在《量子科學(xué)與技術(shù)》（Quantum Science and Technology）雜志上。

圖片:High-Performance-Computing-Quantum-Photonics-Experiment-scaled.png

帕德博恩大學(xué)的科學(xué)家首次使用高性能計算（圖右側(cè)的帕德博恩超級計算機(jī) Noctua）來大規(guī)模分析量子光子學(xué)實驗。

量子表征技術(shù)的進(jìn)步

高分辨率光子探測器正成為量子研究的重要工具，但由于涉及的數(shù)據(jù)量巨大，準(zhǔn)確描述這些設(shè)備的特性一直是個挑戰(zhàn)。在分析這些數(shù)據(jù)的同時保持其量子力學(xué)完整性，對于有效測量和未來應(yīng)用至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法難以處理大規(guī)模量子系統(tǒng)所需的復(fù)雜計算，但帕德博恩的研究人員正在利用高性能計算進(jìn)行詳細(xì)表征和認(rèn)證，從而解決這一問題。

物理學(xué)家 Timon Schapeler 與計算機(jī)科學(xué)家 Robert Schade 博士以及 PhoQS（光子量子系統(tǒng)研究所）和 PC2（帕德博恩并行計算中心）的同事合作，解釋說：“通過使用 HPC 開發(fā)開源定制算法，我們在超大規(guī)模量子光子探測器上進(jìn)行了量子層析成像”。PC2 是帕德博恩大學(xué)的一個跨學(xué)科項目，負(fù)責(zé)管理高性能計算系統(tǒng)。作為德國國家高性能計算中心之一，帕德博恩大學(xué)站在了推動學(xué)術(shù)界高性能計算能力發(fā)展的最前沿。

攀登量子研究的新高峰

Schapeler繼續(xù)說：“這些發(fā)現(xiàn)為可擴(kuò)展量子光子學(xué)領(lǐng)域的系統(tǒng)分析規(guī)模開辟了全新的視野。這對光子量子計算機(jī)硬件的表征等具有更廣泛的影響”。研究人員能夠在幾分鐘內(nèi)完成描述光子探測器的計算，比以往任何時候都快。該系統(tǒng)還能以極快的速度完成涉及大量數(shù)據(jù)的計算。

Schapeler：“這表明這一工具在量子光子系統(tǒng)中的應(yīng)用達(dá)到了前所未有的規(guī)模。據(jù)我們所知，我們的工作是對傳統(tǒng)高性能計算領(lǐng)域的首次貢獻(xiàn)，使量子光子學(xué)實驗得以大規(guī)模開展。在量子光子實驗中展示量子優(yōu)越性時，這一領(lǐng)域?qū)⒆兊迷絹碓街匾?-而且是在傳統(tǒng)方法無法計算的規(guī)模上�！�

用基礎(chǔ)研究塑造未來

Schapeler 是 Tim Bartley 教授領(lǐng)導(dǎo)的介觀量子光學(xué)研究小組的博士生。該研究小組主要研究光量子態(tài)的基礎(chǔ)物理學(xué)及其應(yīng)用。這些狀態(tài)由數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個光子組成。

Bartley解釋說：“規(guī)模至關(guān)重要，因為這說明了量子系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比所具有的根本優(yōu)勢。在測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和通信等許多領(lǐng)域都有明顯的優(yōu)勢"。量子研究的主要學(xué)科是帕德博恩大學(xué)的旗艦領(lǐng)域之一。備受尊敬的專家們正在進(jìn)行基礎(chǔ)研究，以塑造未來的具體應(yīng)用。

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