Fotonisk kvanteberegning fremmer presset lys

Den 1. juni, ti-del, pressemeddelelse på Twitter forum Xanadus Borealis fotoniske kvantecomputer kunne være og pressemeddelelse skabelon som alle andre kvantevirksomheder stræber efter. I tråden oplyste virksomhedens administrerende direktør:

1) a link til en videnskabelig artikel af høj kvalitet (Madsen et al., 2022) som demonstrerer den særlige succes;
2) hvordan deres forskud sammenligner til lignende teknologi;
3) hvordan offentligheden kan bruge det;
4) hvad er forskuddet kogt ned til en eller to sætninger;
5) behandler direkte et par tidligere problemer der er opstået ved at sammenligne kvantehardware. I dette tilfælde: 'spoofing' og 'virkelige beregningsproblemer';
6) a kvalitetsvideo, hvilket forklarer fremskridtet.

Det var en bemærkelsesværdig pressemeddelelse for sin kortfattede kvalitet med fokus på teknologien. Lad os starte fra begyndelsen.

Fotonisk kvanteberegning: Hvad er det?

Fotoniske kvanteanordninger fungerer efter fundamentalt forskellige sammenfiltringsprincipper end spin-baserede kvanteanordninger. Xanadus fotoniske kvantecomputere er baseret på den kontinuerlige variable (CV) model. Grafikken i fig. 1 fra Zachary Vernon på PfQ 2019 Workshop forklarer den første grundlæggende forskel. I stedet for diskrete |1>, |0> tilstande har vi kontinuerte variable af lysfeltet, hvor information om amplituden og fasekvadraturen er kodet.

Figur 1. Fig. 1 fra Zachary Vernon hans præsentation på Photonics for Quantum Workshop 2019, forklarer den grundlæggende forskel.

Udfordringen for fotoniske qubits er, at de er kortlivede. Dog hvis man bruger målebaseret (MB) quantum computing (QC) i stedet for port-baseret kvanteberegning, så kan man omgå kortlivede fotoniske qubits naturligt, fordi beregningerne udføres med det samme. Qubitten bliver en bestemt måling i faserummet af en bestemt fordeling, som kaldes klemt lys or klemt tilstand.  Klemmede tilstande drage fordel af afvejningen til at "klemme" eller reducere usikkerheden i målingerne af en given variabel, mens den øger usikkerheden i målingen af ​​en anden variabel, som forskerne kan ignorere. Qubit-knuderne erstattes af pressede tilstande. Gaussisk bosonsampling (GBS) er når man trækker prøver fra fordelingen af ​​de pressede tilstande.

For at forstå konceptet med kontinuert-variabel, målebaseret, kvanteberegning, er den bedste beskrivelse, jeg har fundet på YouTube, hvor Ulrik Lund Andersen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), i november 2021, gav en visuelt orienteret , online snak: Optisk kvanteberegning med kontinuerte variable. Hans tale går gennem målingerne, linje for linje af rækken af ​​pressede tilstande ved at vise, hvordan de pressede tilstande er viklet ind i inputtilstandene, for at blive klyngede stater. Gennem målinger på de klyngede tilstande udfører man porte, for eksempel: det universelle portsæt som beskrevet af Lloyd og Braunstein, 1999, i deres klassiske fundament: Kvanteberegning over kontinuerte variable. Andersen introducerer så den anden nøglekomponenter i fotonisk kvantecomputer.

• stråledelere; er semi-reflekterende spejle og måden at vikle to forskellige sammenpressede tilstandsknuder ind. Outputtet med løkken angiver den korrelerede "to-mode squeezed state", også kendt som kontinuerlig variabel EPJ-tilstand (hop til Andersens video);
• homodyn detektion: er en lokaloscillator, der giver mulighed for at vælge kvadraturen i faserummet, der skal måles, og som producerer nye udgangstilstande;
• derefter, i sekvensen efter homodyne-detektionen, er følsomme foton detektorer at tælle antallet af fotoner.

Figur 2. Ulrik Lund Andersen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) holdt i november 2021 en visuelt orienteret, online tale: Optisk kvanteberegning med kontinuerte variable.

Systemer med optiske fiberforbindelser har en stor fordel. For afstande > 1 cm er den nødvendige energi til at transmittere en bit ved hjælp af en foton over en fiber mindre end den energi, der kræves for at oplade en typisk 50 ohm elektronisk transmissionslinje, der dækker den samme afstand. (Nielsen & Chuang, 2010, s. 296). De kan også tage forskud på eksisterende optiske fibernetværk til kommunikation.

Sådan skalerer du en fotonisk kvantecomputer

Xanadu's nye teknologiske succeser Vis os (Madsen et al., 2022) hvordan fotonisk kvanteberegning kan forbedres og skaleres dramatisk:

• ikke-klassisk lysgenerering: klemte lysgeneratorer på en chip;
• tidsdomæne multipleksing: sløjfer, som giver adgang til mere klemt lys tilstande uden at øge systemets fysiske omfang eller kompleksitet;
• universal gate sæt implementering: programmerbar (Bromley et al., 2019);
• hurtig elektro-optisk kobling: fra interferometeret sendes den Gaussiske tilstand til et 1-til-16 binært switch-træ (demux), som delvist demultiplekser outputtet før udlæsning af PNR'er;
• Plus en PNR-forbedring, som har en stuetemperaturmål i syne:
  • højhastigheds, PNR-detektionsteknologi: en række PNR-detektorer (fotonnummeropløsende) baseret på superledende overgangskantsensorer (TES) med 95 % detektionseffektivitet (Arrazola et al., 2021).

Professor Anderson illustrerer en vigtig nyskabelse: tidsmultipleksing med en step-through animation, af en 2D, squeezed-light, klyngegenerering, ved hjælp af en sløjfe i den optiske fiber, der er forsinket med nøjagtig en clock-cyklus. Lysbanen synkroniseres derefter mellem stråledelere. Hvis du tilføjer flere sløjfer, er der mere sammenfiltring og færre nødvendige stråledelere. Dette fører til min fotoniske kvantecomputer-skaleringsheuristik: "Jo mere tid der multiplekser loops, jo mindre tid er det nødvendigt at skalere." Figur 3 illustrerer det samme koncept fra Xanadu pressemeddelelsesvideo.

Figur 3. Tidsmultipleksingskoncept for at øge sammenfiltringen, reducere antallet af stråledelere og understøtte bedre skalerbarhed. Rammegreb fra Xanadu pressemeddelelse video.

Nu kan vi intuitivt forstå skalerbarheden, når vi ser en laboratorieopsætning. Andersen identificerer komponenterne der er og ikke er skalerbare af hans egen DTU-gruppes fotoniske kvantecomputer, ved hjælp af arkitekturen, udgivet af Larsen et al., 2021.

USTC konkurrence

Prof. Andersen identificerer også, i Spørgsmål og svar af hans præsentation, hvorfor University of Science and Technology of China (USTC) gruppe: Jiuzhang 2.0, kan ikke skaleres. USTC-gruppen bruger kilder med ledig plads, klemt lys til deres 113 fotoniske qubits, som er: 5x5x5cm, med tilsvarende stråledelere til sammenfiltring. Til fejltolerant databehandling har man brug for ~en million tilstande med klemt lys. Derfor, selvom dette er en imponerende indsats for kvanteoverherredømme, ville denne arkitektur gøre systemet uoverkommeligt stort.

Nogle fotoniske kvantecomputerkøreplaner

Foruden Larsen et al., 2021, ovenfor, er disse køreplaner for fotonisk kvanteberegning godt refereret i fællesskabet:

Voksende fotoniske kvantecomputerleverandører og -grupper

Forskning. Det internationale fotoniske kvantecomputerfællesskab med industrien vokser. Siden 2012 er der i alt cirka 850 fotoniske kvanteteknologiske forskningsartikler på arXiV med en stigning på ~600 % i det sidste årti. Den hurtigste årlige stigning er hidtil i 2022-året (~50 % skaleret til slutningen af ​​året). Denne vækst holder trit med væksten (også ~600%) i resten af ​​det kvanteteknologiske forskningsfelt i løbet af tiåret.

Konferencedeltagelse. Samfundet vokser også, hvis vi sammenligner den ujævne, geografiske nordøstlige vægt af enhederne fra 2019 (35) og 2022  (45) Fotonik til Quantum (PfQ) workshop. Det er især værd at springe til 2019 PfQ-webstedet: de har optaget nyttige præsentationsvideoer med tilsvarende præsentationer.

Enheder, nogle med patenter. At spore patentvæksten for fotoniske kvantepatenter er udfordrende på grund af den grove 'fotoniske' nøgleordsopløsning. Nogle patenthavere kan dog identificeres. Her er nogle leverandører og grupper inden for fotonisk kvanteberegning med tilgængelige patenter:

Canada

USA

• Californien
• Michigan

Kina

Tyskland

Nederlandene

Danmark

Fotonisk Quantum Computing Baggrund

Det er sommer, og for at afslutte let, vil jeg gerne dele min yndlingsgrafik fra dette felt. Dette er det farverige, uendeligt dimensionelle Hilbert-rum, genereret af Brianna Gopaul, som var praktikant hos Xanadu i 2018. I sin hjælpsomme Mellemartikel om det grundlæggende fotoniske kvante portdrift; hun forkæler os med dette rige visuelle. Det er min skrivebordsskærm nu.

Amara Graps, ph.d. er en tværfaglig fysiker, planetforsker, videnskabsformidler og underviser og ekspert i alle kvanteteknologier.