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。图片来源：帕德博恩大学，Hennig/Mazhiq
帕德博恩大学的科学家有史以来第一次使用大规模高性能计算 （HPC） 来分析量子光子学实验。具体来说，这涉及对来自量子探测器的实验数据进行断层扫描重建。这是一种测量单个光子的设备。
参与其中的研究人员开发了新的 HPC 软件来实现这一目标。他们的研究结果现已发表在《量子科学与技术》杂志上。
超大规模光子量子探测器上的量子层析成像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，精确表征这些设备至关重要，到目前为止，这样做一直是一项挑战。这是因为它涉及大量数据，需要在不忽视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 Paderborn 的科学家们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）的同事一起撰写了这篇论文。
PC2 是帕德博恩大学的一个跨学科研究项目，负责运营 HPC 系统。该大学是德国的国家高性能计算中心之一，因此处于大学高性能计算的前沿。
“前所未有的规模”“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。这具有更广泛的影响，例如，对于表征光子量子计算机硬件，“Schapeler 继续说道。研究人员能够在短短几分钟内完成描述光子探测器的计算，速度比以往任何时候都快。
该系统还能够非常快速地完成涉及大量数据的计算。Schapeler 说：“这表明该工具可以与量子光子系统一起使用，其规模之大前所未有。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，使大规模实验量子光子学成为可能。
“在量子光子实验中证明量子霸权时，这个领域将变得越来越重要，而且规模是常规方法无法计算的。”
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。该团队对光的量子态的基础物理学及其应用进行研究。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基本优势。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，“Bartley 解释道。
更多信息：Timon Schapeler 等人，通过高性能计算实现的可扩展量子探测器断层扫描，量子科学与技术（2024 年）。DOI： 10.1088/2058-9565/ad8511
期刊信息： Quantum Science and Technology
