A németországi Paderborn University kutatói először alkalmaztak nagy teljesítményű számítástechnikai (HPC – high-performance computing) rendszert a kvantumfotonika nagyméretű elemzésére. A hagyományos nagy teljesítményű számítástechnika lehetővé teszi hatalmas adathalmazok feldolgozását és összetett számítások gyors elvégzését, de a kvantumalkalmazásokra általában nem használható közvetlenül. Azonban ez a tanulmány azt sugallja, hogy a HPC alkalmas lehet kvantumtomográfiára, azaz a kvantumrendszerek állapotának meghatározására.
A kutatók nyílt forráskódú algoritmusokat fejlesztettek, melyekkel sikeresen hajtottak végre kvantumtomográfiát egy fotonikus kvantumdetektoron megaméretben. A kvantumfotonikus detektor rendkívül érzékeny eszköz, amely képes egyes fotonok, azaz fényrészecskék tulajdonságainak mérésére, például energiájuk és polarizációjuk meghatározására. A fotonikus detektor pontos kvantumállapotának meghatározása elengedhetetlen a pontos mérésekhez, de nagy mennyiségű adat feldolgozását igényli. Itt lép közbe az új HPC szoftver, amelynek segítségével a kutatók olyan gyorsan végeztek el számításokat, mint korábban még senki.
A kísérlet során a kutatók egy nagyméretű, 10^6 dimenziós Hilbert-téren belül végeztek kvantumtomográfiát. A Hilbert-tér egy többdimenziós tér, ahol minden pont egy kvantumrendszer lehetséges állapotát képviseli, ami elengedhetetlen a valószínűségi számításokhoz és a kvantumszuperpozíciókhoz. Az új HPC szoftver használatával a kutatók pár perc alatt elvégezték a detektor kvantumállapotának leírását, ami rekordsebességet jelent.
Az új módszer nemcsak a kvantumfotonikus detektor állapotának meghatározására alkalmazható. A szerzők optimalizálták a kvantumtomográfia folyamatát, lehetővé téve, hogy akár 10^12 elemű kvantumrendszereket is kezeljenek. Ezt Timon Schapeler, a tanulmány első szerzője és kutatója „példátlan mértékű alkalmazhatóságnak” nevezte a kvantumfotonikai rendszerekben.
Ez a HPC-alapú megközelítés hozzájárulhat a hatékonyabb adatfeldolgozás, kvantummérések és kommunikációs technológiák fejlesztéséhez, és új lehetőségeket nyithat a kvantumfotonika területén. A tanulmány a Quantum Science and Technology folyóiratban jelent meg.
