從“看見光子”到“讀懂量子”，鑫圖 Aries 6504 Pro為量子科技逐光開路！

中性原子體系正在成為當前量子計算領(lǐng)域潛力型的技術(shù)路線之一。

近年來，隨著光鑷陣列、里德堡相互作用以及可編程原子陣列技術(shù)的發(fā)展，中性原子量子計算正從數(shù)十量子比特向數(shù)百甚至上千量子比特快速擴展。

與此同時，科學相機的核心使命，正在從極限弱光成像轉(zhuǎn)向高保真的量子態(tài)判讀。

科學相機使命升級：為量子計算構(gòu)筑核心探測能力

鑫圖推出的新一代單光子級sCMOS科學相機——Aries 6504 Pro，能夠在收光效率、系統(tǒng)噪聲控制和時序同步三個維度，為量子科技提供系統(tǒng)級成像解決方案支撐。

精準分辨“0態(tài)”與“1態(tài)”：提高量子判讀保真度的三大支點

在單原子量子比特讀出過程中，可用于判讀的有效光子數(shù)量十分有限。因此，科學相機首先需要解決的問題是：如何盡可能保留每一個有效光子，盡可能降低探測鏈路引入的附加噪聲。

圖1 亮態(tài)/暗態(tài)統(tǒng)計分布與判讀保真度對比

1. 95% 峰值量子效率（QE）

采用背照式BSI sCMOS架構(gòu)，峰值量子效率高達95%，能夠增強收集單原子散射產(chǎn)生的有效光子，提高信號利用率。

2. 0.43 e? 超低讀出噪聲

達到單光子級探測靈敏度，進一步拉開亮態(tài)與暗態(tài)之間的信號分布，提高量子態(tài)判讀閾值的容錯空間。

3. 6.5 μm 黃金像元設(shè)計

兼顧高NA光學系統(tǒng)奈奎斯特采樣要求與單像素集光能力，在空間分辨率與信號收集效率之間實現(xiàn)平衡優(yōu)化。

核心價值解讀：高QE、低度出噪聲、像元尺寸設(shè)計本質(zhì)都是為了提升亮態(tài)與暗態(tài)的統(tǒng)計可分辨性，提高量子比特狀態(tài)判讀保真度。

對比不同探測技術(shù)信噪比

我們在統(tǒng)一光子照度條件下，通過統(tǒng)一單位探測面積上的成像能力，對不同探測技術(shù)進行了信噪比擬合分析。

結(jié)果表明：在單光子極限附近（≈1–2 photons），EMCCD憑借電子倍增機制仍具有一定優(yōu)勢；隨著有效光子數(shù)增加至約3 photons以上，Aries 6504 Pro 的信噪比已與主流進口BSI sCMOS基本相當，并優(yōu)于EMCCD。

圖2 等光子通量條件下探測性能比較

* 注：EMCCD在1 MHz 讀出頻率下，讀出噪聲通常約為40–60 e? RMS；開啟電子倍增（EM Gain）后，輸入端等效讀出噪聲可降至1 e?以下。本次EMCCD對比采用100×電子倍增設(shè)置，等效讀出噪聲約為0.4–0.6 e?。

降低系統(tǒng)誤差預算：守住每一個有效信號

對于量子比特判讀而言，真正影響實驗結(jié)果的并不只是信號強度本身。背景不一致性、系統(tǒng)本底噪聲以及相鄰原子熒光串擾等，都是降低量子態(tài)讀出保真度的影響因素。因此對科學相機的長期穩(wěn)定性、一致性和重復性提出更高要求。

圖3 影響量子態(tài)判讀的系統(tǒng)誤差來源

1. PRNU: < 0.3%，DSNU : 0.3 e?

有效提升背景均一性與定量測量一致性，降低像元間響應差異帶來的系統(tǒng)誤差。

2. 深度穩(wěn)定制冷

在室溫環(huán)境下可實現(xiàn)-20℃制冷能力，暗電流低至0.01 e?/pixel/s，有效抑制長時間運行過程中的背景漂移。

3. 實時背景校正功能

配套軟件支持實時減背景處理功能，提高弱信號條件下的信噪比表現(xiàn)，并減少后處理工作量。

核心價值解讀：從硬件、軟件、算法三維度建模，將背景從不可控漂移項轉(zhuǎn)化為可校正項，降低系統(tǒng)誤差預算，提高量子態(tài)判讀一致性。

DSNU算法應用優(yōu)勢實測

圖4 DSNU背景校正效果實測

鑫圖相機在早期的單原子探測實測結(jié)果表明，DSNU 算法能夠降低固定模式噪聲干擾，有效提升成像信噪比。

支撐實時反饋控制：成為量子控制鏈路的重要探測節(jié)點

隨著中性原子量子計算向更大規(guī)模陣列發(fā)展，實驗系統(tǒng)越來越依賴實時反饋控制。例如：

原子裝載檢測

原子陣列重排

量子門操作后的狀態(tài)讀取    

自動化閉環(huán)優(yōu)化    

這些應用不僅要求科學相機快速、準確地完成量子態(tài)讀出，還要求其能夠與實驗時序控制系統(tǒng)保持精準同步，并將狀態(tài)信息及時傳遞至控制系統(tǒng)，支撐實時反饋控制。

圖5 量子測量數(shù)據(jù)鏈路

1. 高速量子態(tài)讀出能力

在0.43 e?超低讀出噪聲下依然實現(xiàn)99 fps高速采集，并支持ROI高速讀出，在兼顧量子態(tài)判讀保真度的同時縮短狀態(tài)讀出時間，為反饋控制提供快速、可靠的數(shù)據(jù)輸入。

2. 精準時序同步能力

提供SMA硬件觸發(fā)、Global Reset同步曝光及豐富的Trigger I/O功能，可與實驗時序控制系統(tǒng)建立統(tǒng)一的硬件同步機制，實現(xiàn)曝光、讀出與控制信號的精準協(xié)同，為量子實驗自動化閉環(huán)控制提供穩(wěn)定可靠的時間基準。

3. 高速輸出能力

支持 CoaXPress（CXP）與 USB3.2 雙高速數(shù)據(jù)接口，可根據(jù)實驗架構(gòu)在“極限帶寬傳輸”與“靈活集成部署”之間進行選擇，從而構(gòu)建穩(wěn)定、低延遲的反饋數(shù)據(jù)通路。

核心價值解讀：從獨立成像設(shè)備升級為量子實驗控制鏈路的重要探測節(jié)點，通過高速狀態(tài)讀出、精準時序同步和高速數(shù)據(jù)傳輸，為實時反饋控制提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

Aries 6504 Pro 讀出模式優(yōu)勢解析

逐光量子前沿：鑫圖科學成像方案的當下與未來

量子計算的進步，往往不是從“更強的光”開始，而是從“更好地理解微弱信號”開始。在冷原子與中性原子量子比特讀出場景中，真正決定系統(tǒng)上限的，從來不是某一個孤立參數(shù)，而是整條成像鏈路能否把少量但關(guān)鍵的信息保留下來，并穩(wěn)定地交給實驗者。

Aries 6504 Pro，正是圍繞這樣的需求而來。它不僅是一臺單光子級 sCMOS 科學相機，更是一套面向量子態(tài)判讀、系統(tǒng)誤差控制與支撐反饋控制機制的科學成像解決方案。

從“看見光子”到“讀懂量子”，鑫圖將持續(xù)為量子科技的未來“逐光開路”。