量子計算領域的主要目標是創建大規模且容錯的通用量子計算機。量子超越，意味著量子計算機表現出比經典計算機更優越的計算能力，谷歌已經用53個超導量子位實現了這一目標，但它是針對特定問題的解決方案，而不是針對一般問題。為了實現大規模通用量子計算機，人們提出了幾種方法(例如超導量子位、俘獲離子量子位)，但尚未確定哪一種是獲勝者。科學相機通常用于具有中性原子的量子計算機，中性原子是最有前途的量子位之一。我們采訪了大阪大學的 Takashi Yamamoto 教授和助理教授 Toshiki Kobayashi，他們正在使用 ORCA-Quest 進行中性原子量子計算。

ORCA-Quest 對中性原子量子計算的好處

在中性原子量子計算機中，中性原子被光鑷捕獲在真空中并在晶格中排列。科學相機的用途是看到被困在晶格中的每個原子發出的熒光，它可以觀察被困原子的位置，甚至它們的量子態。科學相機的一個主要要求是低噪聲和高量子效率，以消除誤報，這意味著即使原子沒有發出熒光，相機也會因其低靈敏度而誤解原子發出的熒光。由于我們在應用中使用的光源本質上是發射單光子，因此像 ORCA-Quest 這樣可以拍攝光子數量被逐個計數的圖像的特殊相機將是非常理想的。

此外，為了對量子位進行糾錯，對相機的另一個要求是相機必須盡快讀出量子位的狀態，并且必須根據狀態立即應用一些反饋。就數據讀取速度而言，ORCA-Quest 等 CMOS 相機優于傳統 CCD 相機。

我看到很多人在論文中使用EM-CCD相機進行中性原子量子計算，但最近我感覺越來越多的人使用sCMOS相機，因為它們的性能提升。EM-CCD和sCMOS的技術正在顯著進步，這兩款相機的量子效率和噪聲性能都處于很高的水平。在這種背景下，我們選擇 ORCA-Quest 進行研究的決定性因素是光子數分辨 (PNR) 模式。我們對qCMOS技術抱有很高的期望，因為EM-CCD由于其傳感器技術的原因無法實現PNR模式，我們相信如果我們能找到一種有效利用PNR模式的方法，那將是非常有趣的。

圖片示例由 ORCA-Quest 提供

實驗條件

原子：Rb (發射波長 780 nm)

原子間距：13 um

掃描模式：超靜音掃描模式

分檔：2x2

曝光時間：20 ms

原子在晶格位置的占據概率：約 50 %

單發

幀平均(200 幀)

右下晶格位點原子的強度直方圖(4x4 像素 ROI 中的強度求和，200 幀)

大阪大學標志

研究的未來展望

如前所述，量子計算領域的主要目標是打造大規模容錯通用量子計算機。容錯通用量子計算機將非常大，并且估計需要大約原子，具體取決于算法和協議。為了實現這一目標，人們認為單一的物理系統是不夠的，而網絡化的量子計算機通過量子隱形傳態連接多個物理系統，利用量子糾纏來轉移量子態，并因此獲得了諾貝爾物理學獎。 2022年授予，正在晉升。目前，我們正在努力研究本地原子量子計算機部分，因為還沒有人創建用于量子計算的物理系統。

我們相信，憑借 ORCA-Quest 的大量像素(4096(H)x 2304(V))，我們將能夠用單個相機捕獲原子。當我們通過Hamamatsu提出的單原子陣列成像模擬結果來比較ORCA-Quest和EM-CCD時，我們覺得兩者看起來都不錯，但最終的決定因素是qCMOS技術的未來期望，例如“光子數”解決模式。

審核編輯 黃宇