帕德博恩大学的科学家首次大规模使用高性能计算 (HPC) 分析量子光子学实验。具体来说，这涉及量子探测器实验数据的断层扫描重建。这是一种测量单个光子的装置。

参与的研究人员开发了新的 HPC 软件来实现这一目标。他们的研究成果现已发表在《量子科学与技术》杂志上。

兆尺度光子量子探测器上的量子断层扫描

高分辨率光子探测器越来越多地用于量子研究。如果要有效地将这些设备用于测量目的，精确地表征它们至关重要——到目前为止，这样做一直是一个挑战。这是因为它涉及大量数据，需要在不忽略其量子力学结构的情况下进行分析。

处理这些数据集的合适工具对于未来的应用尤为重要。虽然传统方法无法对超过一定规模的量子系统进行同类计算，但帕德博恩的科学家正在使用高性能计算进行表征和认证任务。

“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执行量子断层扫描，”物理学家 Timon Schapeler 解释说，他与计算机科学家 Robert Schade 博士以及来自 PhoQS(光子量子系统研究所)和 PC2(帕德博恩并行计算中心)的同事共同撰写了这篇论文。

帕德博恩大学的跨学科研究项目 PC2 负责运行 HPC 系统。帕德博恩大学是德国国家高性能计算中心之一，因此处于大学高性能计算领域的前沿。

“规模空前”

“这些发现为可扩展量子光子学领域正在分析的系统规模开辟了全新的视野。这具有更广泛的意义，例如，对于表征光子量子计算机硬件，”Schapeler 继续说道。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。

该系统还能够以极快的速度完成涉及大量数据的计算。Schapeler 表示：“这表明该工具可以以前所未有的规模用于量子光子系统。据我们所知，我们的工作是传统高性能计算领域的首次贡献，使大规模实验量子光子学成为可能。

“当谈到在量子光子实验中证明量子霸权时，这一领域将变得越来越重要——而且其规模无法通过传统方法计算。”

通过基础研究塑造未来

Schapeler 是 Tim Bartley 教授领导的“介观量子光学”研究小组的博士生。该团队研究光量子态的基本物理及其应用。这些状态由数十、数百或数千个光子组成。

“规模至关重要，因为这说明了量子系统相对于传统系统的根本优势。在许多领域都有明显的好处，包括测量技术、数据处理和通信，”巴特利解释说。

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