By Amara Graps gepostet am 19. Juli 2022
Der 1. Juni, zehnteilig, Pressemitteilung auf Twitter für Xanadus photonischer Quantencomputer Borealis könnte sein Vorlage für eine Pressemitteilung das alle anderen Quantenunternehmen anstreben. In dem Thread gab der CEO des Unternehmens Folgendes bekannt:
1) und Link zu einer hochwertigen wissenschaftlichen Arbeit (Madsen et al., 2022), was den besonderen Erfolg belegt;
2) wie ihr Fortschritt vergleicht zu ähnlicher Technologie;
3) wie die die breite Öffentlichkeit nutzen kann es;
4) Was ist der Vorschuss? auf ein oder zwei Sätze reduziert;
5) geht direkt auf einige frühere Probleme ein die beim Vergleich von Quantenhardware entstanden sind. In diesem Fall: „Spoofing“ und „echte Rechenprobleme“;
6) und hochwertiges Video, was den Fortschritt erklärt.
Es war eine bemerkenswerte Pressemitteilung wegen ihrer prägnanten Qualität und dem Fokus auf die Technologie. Fangen wir am Anfang an.
Photonisches Quantencomputing: Was ist das?
Photonische Quantengeräte basieren auf grundlegend anderen Verschränkungsprinzipien als spinbasierte Quantengeräte. Die photonischen Quantencomputer von Xanadu basieren auf dem Modell der kontinuierlichen Variablen (CV). Die Grafik in Abb. 1 von Zachary Vernon beim PfQ 2019 Workshop erklärt den ersten grundlegenden Unterschied. Anstelle diskreter |1>, |0>-Zustände haben wir kontinuierliche Variablen des Lichtfeldes, in denen Informationen über die Amplitude und die Phasenquadratur kodiert sind.
Figure 1. Abb. 1 von Zachary Vernon sein Vortrag beim Photonics for Quantum Workshop 2019, erklärt den grundlegenden Unterschied.
Die Herausforderung für photonische Qubits besteht darin, dass sie kurzlebig sind. Allerdings, wenn man nutzt messbasiert (MB) Quantencomputing (QC) statt Gate-basiert Quantencomputing, dann kann man kurzlebige photonische Qubits auf natürliche Weise umgehen, da die Berechnungen sofort durchgeführt werden. Das Qubit wird zu einer bestimmten Messung im Phasenraum einer bestimmten Verteilung, die aufgerufen wird gequetschtes Licht or zusammengedrückter Zustand. Gequetschte Staaten Nutzen Sie den Kompromiss, um die Unsicherheit bei den Messungen einer bestimmten Variablen zu „quetschen“ oder zu verringern, während Sie gleichzeitig die Unsicherheit bei der Messung einer anderen Variablen erhöhen, die die Forscher ignorieren können. Die Qubit-Knoten werden durch gequetschte Zustände ersetzt. Gaußsche Boson-Probenahme (GBS) ist, wenn man Stichproben aus der Verteilung der gequetschten Zustände zieht.
Um das Konzept des kontinuierlich variablen, messungsbasierten Quantencomputings zu verstehen, habe ich die beste Beschreibung gefunden, die ich auf YouTube gefunden habe, wo Ulrik Lund Andersen von der Technischen Universität Dänemark (DTU) im November 2021 einen visuell orientierten Vortrag hielt , Online-Talk: Optisches Quantencomputing mit kontinuierlichen Variablen. Sein Vortrag geht Zeile für Zeile durch die Messungen des Arrays der gequetschten Zustände und zeigt, wie die gequetschten Zustände mit den Eingabezuständen verflochten sind, um zu werden Clusterstaaten. Durch Messungen an den geclusterten Zuständen führt man Folgendes aus Tore, zum Beispiel: das universelle Torset, wie es von Lloyd und Braunstein, 1999, in ihrer klassischen Grundlage beschrieben wurde: Quantenberechnung über kontinuierliche Variablen. Andersen stellt dann den anderen vor Schlüsselkomponenten der Photonischer Quantencomputer.
- Strahlteiler; sind halbreflektierende Spiegel und die Möglichkeit, zwei verschiedene Knoten im gequetschten Zustand zu verschränken. Die Ausgabe mit der Schleife stellt den korrelierten „Two-Mode Squeezed State“ dar, auch bekannt als kontinuierlicher variabler EPR-Zustand (Springe zu Andersens Video);
- Homodyn-Erkennung: ist ein lokaler Oszillator, der eine Möglichkeit bietet, die zu messende Quadratur im Phasenraum auszuwählen und der neue Ausgangszustände erzeugt;
- sind dann in der Sequenz nach der Homodyn-Detektion empfindlich Photonendetektoren um die Anzahl der Photonen zu zählen.
Figure 2. Ulrik Lund Andersen von der Technischen Universität Dänemark (DTU) hielt im November 2021 einen visuell orientierten Online-Vortrag: Optisches Quantencomputing mit kontinuierlichen Variablen.
Systeme mit Glasfaserverbindungen einen großen Vorteil haben. Bei Entfernungen > 1 cm ist die Energie, die zur Übertragung eines Bits mithilfe eines Photons über eine Faser erforderlich ist, kleiner als die Energie, die zum Laden einer typischen elektronischen 50-Ohm-Übertragungsleitung über dieselbe Entfernung erforderlich ist. (Nielsen & Chuang, 2010, S. 296). Sie können auch bestehende Glasfasernetze für die Kommunikation nutzen.
So skalieren Sie einen photonischen Quantencomputer
Xanadus neue technologische Erfolge Zeig uns (Madsen et al., 2022), wie photonisches Quantencomputing dramatisch verbessert und skaliert werden kann:
- nichtklassische Lichterzeugung: gequetschte Lichtgeneratoren auf einem Chip;
- Zeitbereichs-Multiplexing: Schleifen, die den Zugriff auf mehr Squeeze-Light-Modi ermöglichen, ohne die physische Ausdehnung oder Komplexität des Systems zu erhöhen;
- Universelle Gate-Set-Implementierung: programmierbar (Bromley et al., 2019);
- schnelles elektrooptisches Schalten: Vom Interferometer wird der Gaußsche Zustand an einen 1-zu-16-Binärschaltbaum (Demux) gesendet, der die Ausgabe vor dem Auslesen durch PNRs teilweise demultiplext;
- Plus eine PNR-Verbesserung, die a Raumtemperaturziel im Hinblick auf:
- Hochgeschwindigkeits-Photonenanzahl-auflösende (PNR)-Detektionstechnologie: eine Reihe von photonenzahlauflösenden (PNR) Detektoren basierend auf supraleitenden Übergangskantensensoren (TES) mit einer Detektionseffizienz von 95 % (Arrazola et al., 2021).
Professor Anderson erläutert eine wichtige Innovation: Zeitmultiplex mit Step-Through-Animation, einer 2D-Cluster-Generierung mit gequetschtem Licht, unter Verwendung einer Schleife in der optischen Faser, die um genau einen Taktzyklus verzögert wird. Der Lichtweg wird dann zwischen Strahlteilern synchronisiert. Wenn Sie mehr Schleifen hinzufügen, gibt es eine stärkere Verschränkung und es sind weniger Strahlteiler erforderlich. Dies führt zu meiner Skalierungsheuristik für photonische Quantencomputer: „Je mehr Zeitmultiplexschleifen vorhanden sind, desto weniger Zeit wird für die Skalierung benötigt.“ Abbildung 3 veranschaulicht das gleiche Konzept aus dem Pressemitteilungsvideo von Xanadu.
Figure 3. Zeitmultiplex-Konzept zur Erhöhung der Verschränkung, Reduzierung der Anzahl von Strahlteilern und Unterstützung einer besseren Skalierbarkeit. Framegrab vom Video zur Pressemitteilung von Xanadu.
Jetzt können wir die Skalierbarkeit intuitiv verstehen, wenn wir einen Laboraufbau sehen. Andersen identifiziert die Komponenten die skalierbar sind und nicht, des photonischen Quantencomputers seiner eigenen DTU-Gruppe unter Verwendung der von veröffentlichten Architektur Larsen et al., 2021.
USTC-Wettbewerb
Prof. Andersen identifiziert auch in der F&A seines Vortrags, Warum die Gruppe der University of Science and Technology of China (USTC): Jiuzhang 2.0, kann nicht skaliert werden. Die USTC-Gruppe nutzt dafür Freiraum-Quetschlichtquellen 113 photonische Qubits, die sind: 5x5x5cm, mit entsprechenden Strahlteilern zur Verschränkung. Für fehlertolerantes Rechnen benötigt man etwa eine Million komprimierter Zustände. Obwohl dies ein beeindruckender Versuch der Quantenüberlegenheit ist, würde diese Architektur das System unerschwinglich groß machen.
Einige Roadmaps für photonische Quantencomputer
Zusätzlich zu den Modi Larsen et al., 2021, oben sind diese Roadmaps für das Photonische Quantencomputing in der Community gut referenziert:
Wachsende Anbieter und Gruppen für photonische Quantencomputer
Forschung. Die internationale photonische Quantencomputing-Community mit Industrie wächst. Seit 2012 gibt es bei arXiV insgesamt etwa 850 Forschungsarbeiten zur photonischen Quantentechnologie, mit einem Anstieg von etwa 600 % im letzten Jahrzehnt. Der bisher schnellste jährliche Anstieg ist im Jahr 2022 zu verzeichnen (~50 % skaliert auf das Jahresende). Dieses Wachstum hält mit dem Wachstum (ebenfalls ~600 %) des übrigen Forschungsbereichs der Quantentechnologie im Laufe des Jahrzehnts Schritt.
Konferenzteilnahme. Auch die Gemeinschaft nimmt zu, wenn wir die ungleiche geografische nordöstliche Gewichtung der Einheiten aus der Region vergleichen 2019 (35) und der 2022 (45) Workshop „Photonik für Quanten“ (PfQ).. Besonders lohnenswert ist ein Blick auf die PfQ-Seite 2019: Dort sind hilfreiche Präsentationsvideos mit entsprechenden Präsentationen aufgenommen worden.
Unternehmen, einige mit Patenten. Die Verfolgung des Patentwachstums bei photonischen Quantenpatenten ist aufgrund der groben Auflösung des Schlüsselworts „photonisch“ eine Herausforderung. Es können jedoch einige Patentinhaber identifiziert werden. Hier sind einige Anbieter und Gruppen im Bereich photonisches Quantencomputing mit verfügbaren Patenten:
Kanada
USA
- Kalifornien
- Michigan
China
Deutschland
Die Niederlande
Dänemark
Photonisches Quantencomputer-Hintergrundbild
Es ist Sommer und zum Abschluss möchte ich meine Lieblingsgrafiken aus diesem Bereich mit Ihnen teilen. Dies ist der farbenfrohe, unendlich dimensionale Hilbert-Raum, der von Brianna Gopaul, die 2018 Praktikantin in Xanadu war, generiert wurde Mittlerer Artikel über das grundlegende photonische Quantum Torbetrieb; Sie verwöhnt uns mit diesem reichhaltigen Bild. Es ist jetzt mein Desktop-Bildschirm.
Amara Graps, Ph.D. ist ein interdisziplinärer Physiker, Planetenwissenschaftler, Wissenschaftskommunikator und Pädagoge und Experte für alle Quantentechnologien.
