qCMOS相机：量子系统的核心组成部分

qCMOS相机引起了研究量子计算工程师的关注。哈佛大学量子光学实验室的Dolev Bluvstein及其同事们使用阵列捕获的铷-87原子进行量子计算和量子模拟的研究。
创新分为渐进式创新（即不断改进现有产品线）和颠覆式创新（即改写规则的技术）。ORCA-Quest就是后者的一个优秀案例，这款科学相机自2021年投入商业应用以来一直备受瞩目，为量子计算、原子物理、同步辐射科学、拉曼光谱和超分辨率显微镜等不同学科开辟了尖端成像的新途径。 作为哈佛大学（马萨诸塞州剑桥市）博士生兼Mikhail Lukin量子光学实验室的团队成员，Dolev Bluvstein是量子科学界早期使用ORCA-Quest的科学家之一。在广泛的理论和应用研究项目中，Bluvstein及其同事正在利用单独捕获的铷-87(Rb)原子阵列进行量子计算和量子模拟研究。
在概述层面上，单个原子被光镊独立困在真空中，高度聚焦的激光束可以实时控制每个原子在空间中的位置。Bluvstein说：“一旦原子被囚禁在其设定好的位置并泵入它们的基态电子状态。我们通过使用激光激发它们到里德堡态来引入它们之间的相互作用。”
通过这种方式，铷原子被逐一排列成一个阵列，用作操作量子计算的量子比特(qubits)，而量子比特状态则通过观察每个原子的激光诱导荧光（有无荧光）来确定。在这里，ORCA-Quest是Bluvstein实验装置的核心设备，它确保了整个原子阵列的空间诊断以及每个原子量子比特的量子态检测，同时还结合了超低噪声测量和高速读取（读取时间为100微秒每帧）优势。
Bluvstein说：“相机是唯一可以看到铷原子位置并迅速从量子模型中提取量子比特信息的方法。从某种意义上说，相机是经典世界和量子世界之间的主要输入/输出接口。”
去年年底，布卢夫斯坦及其同事在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，详细介绍了基于可重构原子阵列的量子处理器架构。实验室测试平台是作为Bluvstein博士学位项目的一部分，由美国国家标准与技术研究院(NIST)/马里兰大学、麻省理工学院（马萨诸塞州剑桥市）和QuEra计算公司（马萨诸塞州剑桥市）的科学家合作开发，具有高保真纠缠门、局部量子比特控制、中间电路读出和数百个原子量子比特的任意连接等功能。
通过将原子量子比特组合成误差校正的逻辑量子比特，研究团队正在开发具有多达数十个逻辑量子比特和数百个逻辑纠缠门的早期容错量子算法。最终目标是研制出一台中性原子误差校正量子计算机，大规模实现每100微秒对1000万个原子量子比特进行全天候成像，同时记录它们各自的量子状态。
Bluvstein解释说：“ORCA-Quest在大ROI的超快读出速度对我们的研究至关重要。同样令人印象深刻的是，当我们在实验装置中使用相机时，原子成像的信噪比之前设备提高了两倍。所有这些都提高了我们实现经典/量子接口的速度，并最终实现了大规模量子计算。