Ο φωτονικός κβαντικός υπολογισμός προωθεί το συμπιεσμένο φως

Η 1η Ιουνίου, δέκα μέρη, ανακοίνωση τύπου στο Twitter for Φωτονικός κβαντικός υπολογιστής Borealis του Xanadu θα μπορούσε ο πρότυπο δελτίου τύπου στην οποία φιλοδοξούν όλες οι άλλες κβαντικές εταιρείες. Στο νήμα, ο Διευθύνων Σύμβουλος της εταιρείας ανέφερε:

1) α σύνδεσμος προς επιστημονική εργασία υψηλής ποιότητας (Madsen et al, 2022) που καταδεικνύει την ιδιαίτερη επιτυχία·
2) πώς η προέλασή τους συγκρίνει σε παρόμοια τεχνολογία?
3) πώς το το ευρύ κοινό μπορεί να χρησιμοποιήσει το;
4) ποια είναι η προκαταβολή συνοψίζεται σε μία ή δύο προτάσεις;
5) αντιμετωπίζει άμεσα μερικά προβλήματα του παρελθόντος που προέκυψαν από τη σύγκριση κβαντικού υλικού. Σε αυτήν την περίπτωση: «πλαστογράφηση» και «πραγματικά υπολογιστικά προβλήματα».
6) α ποιοτικό βίντεο, που εξηγεί την προκαταβολή.

Ήταν ένα αξιοσημείωτο δελτίο τύπου για τη συνοπτική του ποιότητα με έμφαση στην τεχνολογία. Ας ξεκινήσουμε από την αρχή.

Φωτονικός Κβαντικός Υπολογισμός: Τι είναι;

Οι φωτονικές κβαντικές συσκευές λειτουργούν με θεμελιωδώς διαφορετικές αρχές εμπλοκής από τις κβαντικές συσκευές που βασίζονται σε σπιν. Οι φωτονικοί κβαντικοί υπολογιστές του Xanadu βασίζονται στο μοντέλο συνεχούς μεταβλητής (CV). Το γραφικό στο Σχ. 1 από τον Zachary Vernon στο Εργαστήριο PfQ 2019 εξηγεί την πρώτη θεμελιώδη διαφορά. Αντί για διακριτές καταστάσεις |1>, |0>, έχουμε συνεχείς μεταβλητές του πεδίου φωτός, όπου κωδικοποιούνται πληροφορίες για το πλάτος και το τετράγωνο φάσης.

Εικόνα 1. Εικ. 1 από τον Zachary Vernon την παρουσίασή του στο Εργαστήριο Photonics for Quantum 2019, εξηγεί τη θεμελιώδη διαφορά.

Η πρόκληση για τα φωτονικά qubit είναι ότι είναι βραχύβια. Ωστόσο, αν κάποιος χρησιμοποιεί βάσει μετρήσεων (MB) κβαντικός υπολογισμός (QC) αντί για με βάση την πύλη κβαντικός υπολογισμός, τότε μπορεί κανείς να παρακάμψει τα βραχύβια φωτονικά qubits φυσικά, επειδή οι υπολογισμοί εκτελούνται αμέσως. Το qubit γίνεται μια συγκεκριμένη μέτρηση στο χώρο φάσης μιας συγκεκριμένης κατανομής, η οποία ονομάζεται συμπιεσμένο φως or συμπιεσμένη κατάσταση.  Συμπιεσμένες πολιτείες εκμεταλλευτείτε την ανταλλαγή για να «συμπιέσετε» ή να μειώσετε την αβεβαιότητα στις μετρήσεις μιας δεδομένης μεταβλητής, ενώ αυξάνοντας την αβεβαιότητα στη μέτρηση μιας άλλης μεταβλητής που οι ερευνητές μπορούν να αγνοήσουν. Οι κόμβοι qubit αντικαθίστανται από συμπιεσμένες καταστάσεις. Δειγματοληψία μποζονίου Gauss (GBS) είναι όταν αντλεί κανείς δείγματα από την κατανομή των συμπιεσμένων καταστάσεων.

Για να κατανοήσουμε την έννοια του κβαντικού υπολογισμού με συνεχείς μεταβλητές, βασισμένες σε μετρήσεις, η καλύτερη περιγραφή που βρήκα είναι στο YouTube, όπου ο Ulrik Lund Andersen από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας (DTU), τον Νοέμβριο του 2021, έδωσε μια οπτική , διαδικτυακή ομιλία: Οπτικός κβαντικός υπολογισμός με συνεχείς μεταβλητές. Η ομιλία του περνάει μέσα από τις μετρήσεις, γραμμή προς γραμμή της διάταξης των συμπιεσμένων καταστάσεων, δείχνοντας πώς οι συμπιεσμένες καταστάσεις μπλέκονται στις καταστάσεις εισόδου, για να γίνουν ομαδοποιημένες καταστάσεις. Μέσω μετρήσεων στις ομαδοποιημένες καταστάσεις, κάποιος εκτελεί πύλες, για παράδειγμα: η καθολική πύλη που περιγράφεται από τους Lloyd και Braunstein, 1999, στην κλασική τους βάση: Κβαντικός υπολογισμός σε συνεχείς μεταβλητές. Στη συνέχεια ο Άντερσεν παρουσιάζει τον άλλον βασικά συστατικά του φωτονικός κβαντικός υπολογιστής.

• διαχωριστές δοκών; είναι ημι-ανακλαστικά κάτοπτρα και ο τρόπος να μπερδέψουμε δύο διαφορετικούς κόμβους συμπιεσμένων καταστάσεων. Η έξοδος με τον βρόχο υποδηλώνει τη συσχετισμένη "συμπιεμένη κατάσταση δύο τρόπων" επίσης γνωστή ως συνεχής μεταβλητή κατάσταση EPR (μεταβείτε στο βίντεο του Άντερσεν);
• ανίχνευση ομόδυνης: είναι ένας τοπικός ταλαντωτής που παρέχει έναν τρόπο επιλογής του τετραγωνισμού στο χώρο φάσης για μέτρηση και ο οποίος παράγει νέες καταστάσεις εξόδου.
• στη συνέχεια, στην αλληλουχία μετά την ανίχνευση ομοδύνης, είναι ευαίσθητα ανιχνευτές φωτονίων να μετρήσει τον αριθμό των φωτονίων.

Εικόνα 2. Ο Ulrik Lund Andersen από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας (DTU), τον Νοέμβριο του 2021, έδωσε μια οπτικά προσανατολισμένη, διαδικτυακή ομιλία: Οπτικός κβαντικός υπολογισμός με συνεχείς μεταβλητές.

Συστήματα με συνδέσεις οπτικών ινών έχουν μεγάλο πλεονέκτημα. Για αποστάσεις > 1 cm, η ενέργεια που απαιτείται για τη μετάδοση ενός bit χρησιμοποιώντας ένα φωτόνιο σε μια ίνα είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για τη φόρτιση μιας τυπικής ηλεκτρονικής γραμμής μετάδοσης 50 ohm που καλύπτει την ίδια απόσταση. (Nielsen & Chuang, 2010, σελ. 296). Μπορούν επίσης να προωθήσουν τα υπάρχοντα δίκτυα οπτικών ινών για επικοινωνία.

Πώς να κλιμακώσετε έναν φωτονικό κβαντικό υπολογιστή

του Xanadu νέες τεχνολογικές επιτυχίες ΔΕΙΞΕ μας (Madsen et al, 2022) πώς ο φωτονικός κβαντικός υπολογισμός μπορεί να βελτιωθεί δραματικά και να κλιμακωθεί:

• μη κλασική παραγωγή φωτός: συμπιεσμένες γεννήτριες φωτός σε ένα τσιπ.
• πολυπλεξία τομέα χρόνου: βρόχοι, οι οποίοι επιτρέπουν την πρόσβαση σε λειτουργίες πιο συμπιεσμένου φωτός, χωρίς να αυξάνουν τη φυσική έκταση ή την πολυπλοκότητα του συστήματος.
• υλοποίηση σετ γενικής πύλης: προγραμματιζόμενη (Bromley et al, 2019);
• γρήγορη ηλεκτρο-οπτική εναλλαγή: από το συμβολόμετρο, η κατάσταση Gauss αποστέλλεται σε ένα δυαδικό δέντρο διακόπτη 1 έως 16 (demux), το οποίο αποπολυπλέκει εν μέρει την έξοδο πριν από την ανάγνωση από τα PNR.
• Επιπλέον, μια βελτίωση PNR, η οποία έχει α στόχος θερμοκρασίας δωματίου σε θέα:
  • Τεχνολογία ανίχνευσης υψηλής ταχύτητας, ανάλυσης αριθμού φωτονίων (PNR).: μια σειρά από ανιχνευτές ανάλυσης αριθμού φωτονίων (PNR) που βασίζονται σε υπεραγώγιμους αισθητήρες μεταβατικής ακμής (TES) με απόδοση ανίχνευσης 95% (Arrazola et al., 2021).

Ο καθηγητής Άντερσον επεξηγεί μια βασική καινοτομία: πολυπλεξία χρόνου με κινούμενα σχέδια, μιας παραγωγής 2D, συμπιεσμένου φωτός, συμπλέγματος, με χρήση βρόχου στην οπτική ίνα που καθυστερεί ακριβώς κατά έναν κύκλο ρολογιού. Στη συνέχεια, η φωτεινή διαδρομή συγχρονίζεται μεταξύ των διαχωριστών δέσμης. Εάν προσθέσετε περισσότερους βρόχους, υπάρχει περισσότερη εμπλοκή και λιγότεροι απαραίτητοι διαχωριστές δέσμης. Αυτό οδηγεί στην ευρετική κλιμάκωση του φωτονικού κβαντικού υπολογιστή μου: "Όσο περισσότερος χρόνος πολυπλεξίας υπάρχουν βρόχοι, τόσο λιγότερος χρόνος απαιτείται για την κλίμακα." Το σχήμα 3 απεικονίζει την ίδια ιδέα από το βίντεο του δελτίου τύπου του Xanadu.

Εικόνα 3. Έννοια πολυπλεξίας χρόνου για αύξηση της εμπλοκής, μείωση του αριθμού των διαχωριστών δέσμης και υποστήριξη καλύτερης επεκτασιμότητας. Κορνίζα από το Το βίντεο του δελτίου τύπου Xanadu.

Τώρα μπορούμε να κατανοήσουμε διαισθητικά την επεκτασιμότητα, όταν βλέπουμε μια εγκατάσταση εργαστηρίου. Άντερσεν προσδιορίζει τα συστατικά που είναι, και δεν είναι, κλιμακούμενα, του φωτονικού κβαντικού υπολογιστή της δικής του ομάδας DTU, χρησιμοποιώντας την αρχιτεκτονική, που δημοσιεύτηκε από Larsen et al, 2021.

Διαγωνισμός USTC

Ο καθηγητής Andersen προσδιορίζει επίσης, στο Ερωτήσεις και απαντήσεις της παρουσίασής του, γιατί η ομάδα του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC): Jiuzhang 2.0, δεν μπορεί να κλιμακωθεί. Η ομάδα USTC χρησιμοποιεί πηγές ελεύθερου χώρου, συμπιεσμένου φωτός για τους 113 φωτονικά qubits, που είναι: 5x5x5cm, με αντίστοιχους διαχωριστές δοκών για εμπλοκή. Για υπολογιστές με ανοχή σε σφάλματα, χρειάζεται κανείς ~ένα εκατομμύριο καταστάσεις συμπιεσμένου φωτός. Επομένως, ενώ πρόκειται για μια εντυπωσιακή προσπάθεια κβαντικής υπεροχής, αυτή η αρχιτεκτονική θα έκανε το σύστημα απαγορευτικά μεγάλο.

Μερικοί χάρτες πορείας φωτονικών κβαντικών υπολογιστών

Επιπροσθέτως Larsen et al, 2021, παραπάνω, αυτοί οι χάρτες πορείας για τον φωτονικό κβαντικό υπολογισμό αναφέρονται καλά στην κοινότητα:

Αναπτυσσόμενοι προμηθευτές και ομάδες φωτονικών κβαντικών υπολογιστών

Ερευνα. Η διεθνής κοινότητα φωτονικών κβαντικών υπολογιστών με τη βιομηχανία αυξάνεται. Από το 2012, υπάρχουν περίπου 850 συνολικά ερευνητικές εργασίες φωτονικής κβαντικής τεχνολογίας στο arXiV με αύξηση ~600% την τελευταία δεκαετία. Η ταχύτερη ετήσια αύξηση είναι μέχρι στιγμής φέτος το 2022 (~50% κλιμακούμενη στο τέλος του έτους). Αυτή η ανάπτυξη συμβαδίζει με την ανάπτυξη (επίσης ~600%) του υπόλοιπου ερευνητικού πεδίου της κβαντικής τεχνολογίας κατά τη διάρκεια της δεκαετίας.

Συμμετοχή σε Συνέδριο. Η κοινότητα αυξάνεται επίσης, αν συγκρίνουμε το άνισο, γεωγραφικό βορειοανατολικό βάρος των οντοτήτων από το 2019 (35) και το 2022  (45) Εργαστήριο Photonics for Quantum (PfQ).. Αξίζει ιδιαίτερα να μεταβείτε στον ιστότοπο PfQ 2019: έχουν ηχογραφήσει χρήσιμα βίντεο παρουσιάσεων με αντίστοιχες παρουσιάσεις.

Οντότητες, Ορισμένες με Διπλώματα Ευρεσιτεχνίας. Η παρακολούθηση των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, η ανάπτυξη των φωτονικών κβαντικών διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας αποτελεί πρόκληση, λόγω της χονδροειδούς ανάλυσης των λέξεων-κλειδιών «φωτονικά». Ωστόσο, ορισμένοι Αναθέτες Διπλώματος Ευρεσιτεχνίας μπορούν να αναγνωριστούν. Ακολουθούν ορισμένοι προμηθευτές και ομάδες στο πεδίο των φωτονικών κβαντικών υπολογιστών με διαθέσιμα διπλώματα ευρεσιτεχνίας:

Canada

ΗΠΑ

• Καλιφόρνια
• Μίσιγκαν

Κίνα

Germany

Ολλανδία

Denmark

Ταπετσαρία Photonic Quantum Computing

Είναι καλοκαίρι, και για να τελειώσω ελαφρά, θα ήθελα να μοιραστώ τα αγαπημένα μου γραφικά από αυτόν τον τομέα. Αυτός είναι ο πολύχρωμος, απεριόριστων διαστάσεων, χώρος Hilbert, που δημιουργήθηκε από την Brianna Gopaul, η οποία ήταν πρακτική στο Xanadu το 2018. Μεσαίο άρθρο σχετικά με το βασικό φωτονικό κβάντο λειτουργίες πύλης; μας περιποιείται αυτό το πλούσιο οπτικό. Τώρα είναι η οθόνη της επιφάνειας εργασίας μου.

Amara Graps, Ph.D. είναι διεπιστημονικός φυσικός, πλανητολόγος, επιστήμονας επικοινωνίας και εκπαιδευτής και ειδικός σε όλες τις κβαντικές τεχνολογίες.