通过超级计算机实现量子光子学的突破

科学家们利用高性能计算以前所未有的规模分析量子探测器，从而彻底改变了量子光子学领域。

他们的创新方法包括对实验数据进行层析重建，从而实现对光子探测器的快速、高效鉴定。这一发展有望极大地促进量子研究，为量子计算和通信领域的先进应用铺平道路。

帕德博恩大学的科学家首次将大规模高性能计算（HPC）用于分析量子光子学实验。具体来说，这涉及利用层析技术重建量子探测器（一种能够测量单个光子或光粒子的设备）的实验数据。为此，研究团队开发了创新的高性能计算软件。他们的突破性研究成果发表在《量子科学与技术》（Quantum Science and Technology）杂志上。

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

帕德博恩大学的科学家首次使用高性能计算（图右侧的帕德博恩超级计算机 Noctua）来大规模分析量子光子学实验。

量子表征技术的进步

高分辨率光子探测器正成为量子研究的重要工具，但由于涉及的数据量巨大，准确描述这些设备的特性一直是个挑战。在分析这些数据的同时保持其量子力学完整性，对于有效测量和未来应用至关重要。传统方法难以处理大规模量子系统所需的复杂计算，但帕德博恩的研究人员正在利用高性能计算进行详细表征和认证，从而解决这一问题。

物理学家 Timon Schapeler 与计算机科学家 Robert Schade 博士以及 PhoQS（光子量子系统研究所）和 PC2（帕德博恩并行计算中心）的同事合作，解释说：“通过使用 HPC 开发开源定制算法，我们在超大规模量子光子探测器上进行了量子层析成像”。PC2 是帕德博恩大学的一个跨学科项目，负责管理高性能计算系统。作为德国国家高性能计算中心之一，帕德博恩大学站在了推动学术界高性能计算能力发展的最前沿。

攀登量子研究的新高峰

Schapeler继续说：“这些发现为可扩展量子光子学领域的系统分析规模开辟了全新的视野。这对光子量子计算机硬件的表征等具有更广泛的影响”。研究人员能够在几分钟内完成描述光子探测器的计算，比以往任何时候都快。该系统还能以极快的速度完成涉及大量数据的计算。

Schapeler：“这表明这一工具在量子光子系统中的应用达到了前所未有的规模。据我们所知，我们的工作是对传统高性能计算领域的首次贡献，使量子光子学实验得以大规模开展。在量子光子实验中展示量子优越性时，这一领域将变得越来越重要--而且是在传统方法无法计算的规模上。”

用基础研究塑造未来

Schapeler 是 Tim Bartley 教授领导的介观量子光学研究小组的博士生。该研究小组主要研究光量子态的基础物理学及其应用。这些状态由数十、数百或数千个光子组成。

Bartley解释说：“规模至关重要，因为这说明了量子系统与传统系统相比所具有的根本优势。在测量技术、数据处理和通信等许多领域都有明显的优势"。量子研究的主要学科是帕德博恩大学的旗舰领域之一。备受尊敬的专家们正在进行基础研究，以塑造未来的具体应用。

相关链接：https://doi.org/10.1088/2058-9565/ad8511