Учёные из Университета Падерборна применили высокопроизводительные вычисления (HPC) в больших масштабах для анализа эксперимента по квантовой фотонике. В частности, это включало томографическую реконструкцию экспериментальных данных с квантового детектора, который измеряет отдельные фотоны.

Исследователи разработали новое программное обеспечение HPC для достижения этой цели, а их результаты были опубликованы в журнале Quantum Science and Technology.

Детекторы фотонов высокого разрешения всё чаще используются для квантовых исследований, и точная характеристика этих устройств имеет ключевое значение для их эффективного использования в измерительных целях. Однако это сложная задача, поскольку она включает в себя огромные объёмы данных, которые необходимо анализировать с учётом специфики их квантово-механической структурой.

Подходящие инструменты для обработки этих наборов данных особенно важны для будущих приложений. Традиционные подходы не могут выполнять подобные вычисления квантовых систем за пределами определённого масштаба, но учёные Падерборна используют высокопроизводительные вычисления для задач характеризации и сертификации.

Физик Тимон Шапелер, один из авторов статьи, объясняет: «Разрабатывая настраиваемые алгоритмы с открытым исходным кодом с использованием HPC, мы выполняем квантовую томографию на мегамасштабном квантовом фотонном детекторе». Результаты открывают новые горизонты для размеров систем, анализируемых в области масштабируемой квантовой фотоники, и имеют более широкие последствия, например, для характеристики аппаратного обеспечения фотонного квантового компьютера.

Исследователи смогли выполнить свои расчёты для описания детектора фотонов всего за несколько минут — быстрее, чем когда-либо прежде. Система также смогла чрезвычайно быстро завершить вычисления, включающие огромные объёмы данных. Шапелер утверждает: «Наша работа показывает беспрецедентный масштаб, в котором этот инструмент может использоваться с квантовыми фотонными системами. Насколько нам известно, наша работа является первым вкладом в область традиционных высокопроизводительных вычислений, позволяющих экспериментальную квантовую фотонику в больших масштабах».

Эта область станет ещё более значимой, когда дело дойдёт до демонстрации квантового превосходства в экспериментах по квантовой фотонике — причём в масштабах, которые невозможно рассчитать обычными способами. Профессор Тим Бартли, руководитель исследовательской группы «Мезоскопическая квантовая оптика», объясняет: «Масштаб имеет решающее значение, поскольку он иллюстрирует фундаментальное преимущество квантовых систем перед обычными. Во многих областях наблюдается явное преимущество, включая измерительные технологии, обработку данных и связь».