By Grapas Amara publicado el 19 de julio de 2022
El 1 de junio, de diez partes, comunicado de prensa en Twitter para Computadora cuántica fotónica Borealis de Xanadu podría ser las plantilla de comunicado de prensa al que aspiran todas las demás empresas cuánticas. En el hilo, el CEO de la compañía proporcionó:
1) a enlace a un artículo científico de alta calidad (Madsen y otros, 2022) que demuestra el éxito particular;
2) cómo su avance compara a tecnología similar;
3) como el el público en general puede usar eso;
4) cual es el anticipo reducido a una o dos oraciones;
5) aborda directamente un par de problemas anteriores que han surgido de la comparación de hardware cuántico. En este caso: 'spoofing' y 'problemas computacionales reales';
6) a video de calidad, lo que explica el avance.
Fue un comunicado de prensa notable por su calidad sucinta con un enfoque en la tecnología. Empecemos desde el principio.
Computación cuántica fotónica: ¿Qué es?
Los dispositivos cuánticos fotónicos funcionan con principios de entrelazamiento fundamentalmente diferentes a los de los dispositivos cuánticos basados en espín. Las computadoras cuánticas fotónicas de Xanadu se basan en el modelo de variable continua (CV). El gráfico de la Fig. 1 de Zachary Vernon en el Taller PfQ 2019 explica la primera diferencia fundamental. En lugar de estados discretos |1>, |0>, tenemos variables continuas del campo de luz, donde se codifica información sobre la amplitud y la cuadratura de fase.
Figura 1 y XNUMX. Figura 1 de Zachary Vernon su presentación en el Photonics for Quantum Workshop 2019, explica la diferencia fundamental.
El desafío para los qubits fotónicos es que son de corta duración. Sin embargo, si uno usa basado en mediciones (MB) computación cuántica (QC) en lugar de basado en puertas computación cuántica, entonces uno puede eludir los qubits fotónicos de corta duración de forma natural, porque los cálculos se realizan de inmediato. El qubit se convierte en una medida particular en el espacio de fase de una distribución particular, que se llama luz exprimida or estado exprimido. Estados comprimidos aprovechar la compensación para “exprimir” o reducir la incertidumbre en las mediciones de una variable dada, mientras aumenta la incertidumbre en la medición de otra variable que los investigadores pueden ignorar. Los nodos qubit se reemplazan por estados comprimidos. Muestreo de bosones gaussianos (GBS) es cuando se extraen muestras de la distribución de los estados comprimidos.
Para comprender el concepto de computación cuántica de variables continuas, basada en mediciones, la mejor descripción que he encontrado está en YouTube, donde Ulrik Lund Andersen de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), en noviembre de 2021, dio una orientación visual , charla en línea: Computación cuántica óptica con variables continuas. Su charla recorre las medidas, línea por línea de la matriz de estados comprimidos al mostrar cómo los estados comprimidos se entrelazan con los estados de entrada, para convertirse en estados agrupados. A través de mediciones en los estados agrupados, uno ejecuta puertas, por ejemplo: el conjunto de puertas universales descrito por Lloyd y Braunstein, 1999, en su fundamento clásico: Computación cuántica sobre variables continuas. Andersen luego presenta al otro componentes clave de la computadora cuántica fotónica.
- divisores de haz; son espejos semirreflectantes y la forma de enredar dos nodos de diferentes estados comprimidos. La salida con el bucle significa el "estado comprimido de dos modos" correlacionado, también conocido como variable continua EPR estado (salta al video de Andersen);
- detección homodina: es un oscilador local que proporciona una forma de elegir la cuadratura en el espacio de fase para medir y que produce nuevos estados de salida;
- luego, en la secuencia posterior a la detección homodina, son sensibles detectores de fotones para contar el número de fotones.
Figura 2 y XNUMX. Ulrik Lund Andersen de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), en noviembre de 2021, dio una charla en línea de orientación visual: Computación cuántica óptica con variables continuas.
Sistemas con conexiones de fibra optica tener una gran ventaja. Para distancias > 1 cm, la energía necesaria para transmitir un bit usando un fotón sobre una fibra es menor que la energía requerida para cargar una línea de transmisión electrónica típica de 50 ohmios que cubre la misma distancia. (Nielsen & Chuang, 2010, pág. 296). También pueden aprovechar las redes de fibra óptica existentes para la comunicación.
Cómo escalar una computadora cuántica fotónica
Xanadú nuevos éxitos tecnológicos muéstranos (Madsen y otros, 2022) cómo se puede mejorar y escalar drásticamente la computación cuántica fotónica:
- generación de luz no clásica: generadores de luz comprimidos en un chip;
- multiplexación en el dominio del tiempo: bucles, que permiten el acceso a modos más reducidos, sin aumentar la extensión física ni la complejidad del sistema;
- Implementación del conjunto de puertas universales: programable (Bromley y otros, 2019);
- conmutación electroóptica rápida: desde el interferómetro, el estado gaussiano se envía a un árbol de interruptores binarios de 1 a 16 (demux), que demultiplexa parcialmente la salida antes de que los PNR la lean;
- Además, una mejora del PNR, que tiene un objetivo de temperatura ambiente en vista:
- tecnología de detección de resolución de número de fotones (PNR) de alta velocidad: una matriz de detectores de resolución de números de fotones (PNR) basados en sensores de borde de transición superconductores (TES) con una eficiencia de detección del 95 % (Arrazola et al., 2021).
El profesor Anderson ilustra una innovación clave: multiplexación de tiempo con un animación paso a paso, de una generación de clúster 2D, de luz comprimida, utilizando un bucle en la fibra óptica que se retrasa exactamente un ciclo de reloj. A continuación, la trayectoria de la luz se sincroniza entre los divisores de haz. Si agrega más bucles, hay más enredos y menos divisores de haz necesarios. Esto lleva a mi heurística de escalado de computadora cuántica fotónica: “Cuantos más bucles de multiplexación, menos tiempo se necesita para escalar”. La Figura 3 ilustra el mismo concepto del video del comunicado de prensa de Xanadu.
Figura 3 y XNUMX. Concepto de multiplexación de tiempo para aumentar el enredo, reducir la cantidad de divisores de haz y admitir una mejor escalabilidad. Toma de fotogramas de la Vídeo del comunicado de prensa de Xanadú.
Ahora podemos entender intuitivamente la escalabilidad, cuando vemos una configuración de laboratorio. Andersen identifica los componentes que son, y no son, escalables, de la computadora cuántica fotónica de su propio grupo DTU, usando la arquitectura, publicada por Larsen y otros, 2021.
Competencia USTC
El Prof. Andersen también identifica, en el Q&A de su presentación, por qué el grupo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC): Jiuzhang 2.0, no puede escalar. El grupo USTC está utilizando fuentes de espacio libre y luz comprimida para sus 113 qubits fotónicos, que son: 5x5x5cm, con sus correspondientes divisores de haz por enredo. Para la computación tolerante a fallas, se necesita ~un millón de estados de luz comprimida. Por lo tanto, si bien este es un esfuerzo impresionante de supremacía cuántica, esta arquitectura haría que el sistema fuera prohibitivamente grande.
Algunas hojas de ruta de la computadora fotónica cuántica
Además de nuestras localidaded en Larsen y otros, 2021, arriba, estas hojas de ruta para la computación cuántica fotónica están bien referenciadas en la comunidad:
Crecientes proveedores y grupos de computadoras fotónicas cuánticas
Investigación La comunidad internacional de computación cuántica fotónica con la industria está creciendo. Desde 2012, hay aproximadamente 850 trabajos de investigación de tecnología cuántica fotónica en total en arXiV con un aumento de ~600 % en la última década. El aumento anual más rápido es hasta ahora este año 2022 (~50% escalado hasta fin de año). Este crecimiento sigue el ritmo del crecimiento (también ~600 %) del resto del campo de investigación de la tecnología cuántica durante la década.
Participación en conferencias. La comunidad también crece, si comparamos el desigual peso geográfico nororiental de las entidades del 2019 (35) y la 2022 (45) Taller de Fotónica para Cuántica (PfQ). Vale la pena especialmente saltar al sitio de PfQ de 2019: han grabado videos de presentación útiles con las presentaciones correspondientes.
Entidades, Algunas con Patentes. Seguir el crecimiento de Patentes de patentes cuánticas fotónicas es un desafío, debido a la resolución de la palabra clave 'fotónica', que es tosca. Sin embargo, se pueden identificar algunos cesionarios de patentes. Estos son algunos proveedores y grupos en el campo de la computación cuántica fotónica con patentes disponibles:
Ubicación: Canadá
Estados Unidos de America
- California.
- Michigan
China
Alemania
Países Bajos
Dinamarca
Fondo de pantalla de computación cuántica fotónica
Es verano, y para terminar ligeramente, me gustaría compartir mis gráficos favoritos de este campo. Este es el colorido espacio Hilbert de infinitas dimensiones, generado por Brianna Gopaul, quien fue pasante en Xanadu en 2018. En su útil Artículo mediano sobre el cuanto fotónico básico operaciones de puerta; ella nos invita a este rico visual. Ahora es la pantalla de mi escritorio.
Amara Graps, Ph.D. es un físico interdisciplinario, científico planetario, comunicador científico y educador y experto en todas las tecnologías cuánticas.
