qCMOS相機(jī)引起了研究量子計(jì)算工程師的關(guān)注。哈佛大學(xué)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Dolev Bluvstein及其同事們使用陣列捕獲的銣-87原子進(jìn)行量子計(jì)算和量子模擬的研究。
創(chuàng)新分為漸進(jìn)式創(chuàng)新（即不斷改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品線）和顛覆式創(chuàng)新（即改寫規(guī)則的技術(shù)）。ORCA-Quest就是后者的一個(gè)優(yōu)秀案例，這款科學(xué)相機(jī)自2021年投入商業(yè)應(yīng)用以來一直備受矚目，為量子計(jì)算、原子物理、同步輻射科學(xué)、拉曼光譜和超分辨率顯微鏡等不同學(xué)科開辟了尖端成像的新途徑。 作為哈佛大學(xué)（馬薩諸塞州劍橋市）博士生兼Mikhail Lukin量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)成員，Dolev Bluvstein是量子科學(xué)界早期使用ORCA-Quest的科學(xué)家之一。在廣泛的理論和應(yīng)用研究項(xiàng)目中，Bluvstein及其同事正在利用單獨(dú)捕獲的銣-87(Rb)原子陣列進(jìn)行量子計(jì)算和量子模擬研究。
在概述層面上，單個(gè)原子被光鑷獨(dú)立困在真空中，高度聚焦的激光束可以實(shí)時(shí)控制每個(gè)原子在空間中的位置。Bluvstein說：“一旦原子被囚禁在其設(shè)定好的位置并泵入它們的基態(tài)電子狀態(tài)。我們通過使用激光激發(fā)它們到里德堡態(tài)來引入它們之間的相互作用。”
通過這種方式，銣原子被逐一排列成一個(gè)陣列，用作操作量子計(jì)算的量子比特(qubits)，而量子比特狀態(tài)則通過觀察每個(gè)原子的激光誘導(dǎo)熒光（有無熒光）來確定。在這里，ORCA-Quest是Bluvstein實(shí)驗(yàn)裝置的核心設(shè)備，它確保了整個(gè)原子陣列的空間診斷以及每個(gè)原子量子比特的量子態(tài)檢測(cè)，同時(shí)還結(jié)合了超低噪聲測(cè)量和高速讀取（讀取時(shí)間為100微秒每幀）優(yōu)勢(shì)。
Bluvstein說：“相機(jī)是唯一可以看到銣原子位置并迅速從量子模型中提取量子比特信息的方法。從某種意義上說，相機(jī)是經(jīng)典世界和量子世界之間的主要輸入/輸出接口。”
去年年底，布盧夫斯坦及其同事在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，詳細(xì)介紹了基于可重構(gòu)原子陣列的量子處理器架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)是作為Bluvstein博士學(xué)位項(xiàng)目的一部分，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)/馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院（馬薩諸塞州劍橋市）和QuEra計(jì)算公司（馬薩諸塞州劍橋市）的科學(xué)家合作開發(fā)，具有高保真糾纏門、局部量子比特控制、中間電路讀出和數(shù)百個(gè)原子量子比特的任意連接等功能。
通過將原子量子比特組合成誤差校正的邏輯量子比特，研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)具有多達(dá)數(shù)十個(gè)邏輯量子比特和數(shù)百個(gè)邏輯糾纏門的早期容錯(cuò)量子算法。最終目標(biāo)是研制出一臺(tái)中性原子誤差校正量子計(jì)算機(jī)，大規(guī)模實(shí)現(xiàn)每100微秒對(duì)1000萬個(gè)原子量子比特進(jìn)行全天候成像，同時(shí)記錄它們各自的量子狀態(tài)。
Bluvstein解釋說：“ORCA-Quest在大ROI的超快讀出速度對(duì)我們的研究至關(guān)重要。同樣令人印象深刻的是，當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置中使用相機(jī)時(shí)，原子成像的信噪比之前設(shè)備提高了兩倍。所有這些都提高了我們實(shí)現(xiàn)經(jīng)典/量子接口的速度，并最終實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量子計(jì)算。