Naukowcy zrewolucjonizowali dziedzinę fotoniki kwantowej, wykorzystując obliczenia o wysokiej wydajności do analizy detektorów kwantowych na niespotykaną dotąd skalę.
Ich innowacyjne podejście polega na tomograficznej rekonstrukcji danych eksperymentalnych, umożliwiając szybką i skuteczną charakterystykę foton detektory. To osiągnięcie może znacznie ulepszyć badania kwantowe, torując drogę zaawansowanym zastosowaniom w obliczenia kwantowe i komunikacja.
Przełom w fotonice kwantowej i obliczeniach o dużej wydajności
Po raz pierwszy naukowcy z Uniwersytetu w Paderborn zastosowali wielkoskalowe obliczenia o wysokiej wydajności (HPC) w dużej skali do analizy eksperymentu z zakresu fotoniki kwantowej. W szczególności obejmowało to rekonstrukcję danych eksperymentalnych z detektora kwantowego – urządzenia zdolnego do pomiaru pojedynczych fotonów, czyli cząstek światła – za pomocą technik tomograficznych. Aby to umożliwić, zespół badawczy opracował innowacyjne oprogramowanie HPC. Ich przełomowe odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Nauka i technologia kwantowa.
Postępy w charakteryzacji kwantowej
Detektory fotonów o wysokiej rozdzielczości stają się niezbędnymi narzędziami w badaniach kwantowych, ale dokładne scharakteryzowanie tych urządzeń stanowi wyzwanie ze względu na ogromne ilości danych. Analizowanie tych danych przy jednoczesnym zachowaniu ich integralności mechaniki kwantowej ma kluczowe znaczenie dla skutecznych pomiarów i przyszłych zastosowań. Konwencjonalne metody nie są w stanie poradzić sobie ze złożonymi obliczeniami wymaganymi w wielkoskalowych układach kwantowych, ale badacze z Paderborn radzą sobie z tym problemem, wykorzystując obliczenia o wysokiej wydajności do szczegółowej charakteryzacji i certyfikacji.
„Opracowując dostosowane algorytmy o otwartym kodzie źródłowym przy użyciu HPC, wykonujemy tomografię kwantową na megaskalowym kwantowym detektorze fotonicznym” – wyjaśnia fizyk Timon Schapeler, który współpracował z informatykiem dr Robertem Schade i współpracownikami z PhoQS (Instytut Fotonicznych Systemów Kwantowych) i PC2 (Centrum Obliczeń Równoległych w Paderborn). PC2, interdyscyplinarny projekt na Uniwersytecie w Paderborn, zarządza systemami HPC. Jako jedno z niemieckich krajowych centrów obliczeń o wysokiej wydajności, Uniwersytet Paderborn stoi na czele rozwijania możliwości HPC w środowisku akademickim.
Skalowanie nowych szczytów w badaniach kwantowych
„Odkrycia otwierają zupełnie nowe horyzonty w zakresie wielkości systemów analizowanych w dziedzinie skalowalnej fotoniki kwantowej. Ma to szersze implikacje, na przykład w zakresie charakteryzowania fotonicznego sprzętu komputerowego kwantowego” – kontynuuje Schapeler. Naukowcy byli w stanie wykonać obliczenia opisujące detektor fotonów w ciągu zaledwie kilku minut – szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Systemowi udało się także niezwykle szybko przeprowadzić obliczenia obejmujące ogromne ilości danych.
Schapeler: „To pokazuje bezprecedensową skalę, na jaką to narzędzie może być wykorzystane w kwantowych systemach fotonicznych. O ile nam wiadomo, nasza praca stanowi pierwszy wkład w dziedzinę tradycyjnych obliczeń o dużej wydajności, umożliwiających eksperymentalną fotonikę kwantową na dużą skalę. Ta dziedzina będzie zyskiwać coraz większe znaczenie, jeśli chodzi o wykazanie supremacji kwantowej w kwantowych eksperymentach fotonicznych – i to na skalę, której nie można obliczyć konwencjonalnymi środkami”.
Kształtowanie przyszłości dzięki badaniom podstawowym
Schapeler jest doktorantem w grupie badawczej Messcopic Quantum Optics, której kierownikiem jest profesor Tim Bartley. Zespół ten prowadzi badania nad podstawową fizyką kwantowych stanów światła i jej zastosowaniami. Stany te składają się z dziesiątek, setek lub tysięcy fotonów.
„Skala jest kluczowa, ponieważ ilustruje podstawową przewagę systemów kwantowych nad konwencjonalnymi. Korzyści są widoczne w wielu obszarach, w tym w technologii pomiarowej, przetwarzaniu danych i komunikacji” – wyjaśnia Bartley. Główna dyscyplina badań kwantowych jest jedną ze sztandarowych dziedzin Uniwersytetu Paderborn. Ceniony eksperci prowadzą badania podstawowe, aby ukształtować konkretne zastosowania przyszłości.
Odniesienie: „Scalable Quantum Detector Tomography by high- Performance Computing” autorstwa Timona Schapelera, Roberta Schade, Michaela Lassa, Christiana Plessla i Tima J. Bartleya, 22 października 2024 r., Nauka i technologia kwantowa.
DOI: 10.1088/2058-9565/ad8511
