محاسبات کوانتومی فوتونیک نور فشرده را پیش می برد

1 ژوئن، ده قسمتی، اطلاعیه مطبوعاتی در توییتر برای کامپیوتر کوانتومی فوتونی Borealis Xanadu می تواند باشد la قالب انتشار مطبوعاتی که تمام شرکت های کوانتومی دیگر آرزوی آن را دارند. در تاپیک، مدیر عامل شرکت ارائه کرد:

1) الف پیوند به یک مقاله علمی با کیفیت بالا (مدسن و همکاران، 2022) که موفقیت خاص را نشان می دهد.
2) چگونه پیشروی آنها مقایسه به فناوری مشابه؛
3) چگونه عموم مردم می توانند استفاده کنند آی تی؛
4) پیشرفت چیست به یک یا دو جمله خلاصه شد;
5) مستقیماً به چند موضوع گذشته می پردازد که از مقایسه سخت افزار کوانتومی پدید آمده اند. در این مورد: "جعل" و "مشکلات محاسباتی واقعی".
6) الف ویدیو با کیفیت، که پیشرفت را توضیح می دهد.

این یک بیانیه مطبوعاتی قابل توجه به دلیل کیفیت مختصر آن با تمرکز بر فناوری بود. بیایید از ابتدا شروع کنیم.

محاسبات کوانتومی فوتونیک: چیست؟

دستگاه های کوانتومی فوتونیک بر اساس اصول درهم تنیدگی متفاوتی نسبت به دستگاه های کوانتومی مبتنی بر اسپین عمل می کنند. کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک Xanadu بر اساس مدل متغیر پیوسته (CV) هستند. گرافیک موجود در شکل 1 از Zachary Vernon در کارگاه PfQ 2019 اولین تفاوت اساسی را توضیح می دهد. به جای حالت های گسسته |1>، |0>، متغیرهای پیوسته میدان نوری داریم که اطلاعات مربوط به دامنه و مربع فاز کدگذاری می شود.

شکل 1. شکل 1 از زاخاری ورنون ارائه او در کارگاه فوتونیک برای کوانتوم 2019، تفاوت اساسی را توضیح می دهد.

چالش کیوبیت‌های فوتونیک این است که عمر کوتاهی دارند. با این حال، اگر کسی استفاده کند مبتنی بر اندازه گیری (MB) محاسبات کوانتومی (QC) به جای مبتنی بر دروازه محاسبات کوانتومی، در این صورت می توان کیوبیت های فوتونی کوتاه مدت را به طور طبیعی دور زد، زیرا محاسبات بلافاصله انجام می شوند. کیوبیت به اندازه گیری خاصی در فضای فاز یک توزیع خاص تبدیل می شود که به آن می گویند نور فشرده or حالت فشرده.  حالت های فشرده از این مبادله برای "فشردن" یا کاهش عدم قطعیت در اندازه گیری یک متغیر معین استفاده کنید، در حالی که عدم قطعیت در اندازه گیری متغیر دیگری را که محققان می توانند نادیده بگیرند، افزایش دهند. گره های کیوبیت با حالت های فشرده جایگزین می شوند. نمونه برداری بوزون گاوسی (GBS) زمانی است که از توزیع حالت های فشرده نمونه برداری می شود.

برای درک مفهوم محاسبات کوانتومی با متغیر پیوسته، مبتنی بر اندازه‌گیری، بهترین توصیفی که پیدا کردم در YouTube است، جایی که اولریک لوند اندرسن از دانشگاه فنی دانمارک (DTU)، در نوامبر 2021، یک تصویر بصری گرا ارائه کرد. ، بحث آنلاین: محاسبات کوانتومی نوری با متغیرهای پیوسته. صحبت او از طریق اندازه‌گیری‌ها، خط به خط آرایه حالت‌های فشرده شده، با نشان دادن اینکه چگونه حالت‌های فشرده با حالت‌های ورودی درهم می‌آیند، گام برمی‌دارد. حالت های خوشه ای. از طریق اندازه گیری در حالت های خوشه ای، فرد اجرا می کند دروازهبه عنوان مثال: مجموعه دروازه جهانی همانطور که توسط لوید و براونشتاین، 1999، در پایه کلاسیک آنها توصیف شده است: محاسبات کوانتومی بر روی متغیرهای پیوسته. سپس اندرسن دیگری را معرفی می کند اجزای کلیدی کامپیوتر کوانتومی فوتونیک.

• تقسیم کننده های پرتو; آینه های نیمه بازتابنده و راهی برای درهم تنیدگی دو گره حالت فشرده متفاوت هستند. خروجی با حلقه نشان دهنده همبستگی "وضعیت فشرده دو حالته" است که به آن نیز معروف است. حالت EPR متغیر پیوسته (به ویدیوی اندرسن بروید);
• تشخیص هموداین: یک نوسان ساز محلی است که راهی برای انتخاب ربع در فضای فاز برای اندازه گیری و ایجاد حالت های خروجی جدید ارائه می دهد.
• سپس، در دنباله پس از تشخیص homodyne، حساس هستند آشکارسازهای فوتون برای شمارش تعداد فوتون ها

شکل 2. اولریک لوند اندرسن از دانشگاه فنی دانمارک (DTU)، در نوامبر 2021، یک سخنرانی آنلاین با محوریت بصری ارائه کرد: محاسبات کوانتومی نوری با متغیرهای پیوسته.

سیستم های با اتصالات فیبر نوری یک مزیت بزرگ دارند برای فواصل بیش از 1 سانتی متر، انرژی مورد نیاز برای انتقال بیت با استفاده از فوتون روی فیبر، کمتر از انرژی لازم برای شارژ یک خط انتقال الکترونیکی معمولی 50 اهم است که همان فاصله را پوشش می دهد. (نیلسن و چوانگ، 2010، صفحه. 296). آنها همچنین می توانند از شبکه های فیبر نوری موجود برای ارتباط استفاده کنند.

چگونه یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک را مقیاس بندی کنیم

زانادو موفقیت های جدید فناوری به ما نشان بده (مدسن و همکاران، 2022چگونه محاسبات کوانتومی فوتونیک را می توان به طور چشمگیری بهبود بخشید و مقیاس بندی کرد:

• تولید نور غیر کلاسیک: ژنراتورهای نور فشرده روی یک تراشه.
• چندگانه سازی دامنه زمانی: حلقه‌هایی که امکان دسترسی به حالت‌های نور فشرده‌تر را بدون افزایش وسعت فیزیکی یا پیچیدگی سیستم فراهم می‌کنند.
• اجرای مجموعه گیت جهانی: قابل برنامه ریزی (بروملی و همکاران، 2019);
• سوئیچینگ سریع الکترواپتیکال: از تداخل سنج، حالت گاوسی به یک درخت سوئیچ باینری 1 به 16 (demux) فرستاده می شود، که تا حدی خروجی را قبل از بازخوانی توسط PNR ها چندپلکس می کند.
• به علاوه، یک بهبود PNR، که دارای یک هدف دمای اتاق در نمایش:
  • فناوری تشخیص با سرعت بالا، تشخیص عدد فوتون (PNR).: آرایه ای از آشکارسازهای تشخیص عدد فوتون (PNR) مبتنی بر حسگرهای لبه گذار ابررسانا (TES) با راندمان تشخیص 95٪آرازولا و همکاران، 2021).

پروفسور اندرسون یک نوآوری کلیدی را نشان می دهد: مالتی پلکس شدن زمان با یک انیمیشن مرحله به مرحلهاز یک نسل خوشه‌ای دو بعدی، نور فشرده، با استفاده از حلقه‌ای در فیبر نوری که دقیقاً یک سیکل ساعت به تأخیر می‌افتد. سپس مسیر نور بین تقسیم کننده های پرتو هماهنگ می شود. اگر حلقه‌های بیشتری اضافه کنید، درهم‌تنیدگی بیشتر و شکاف‌کننده‌های تیر لازم کمتر است. این به مقیاس اکتشافی مقیاس‌پذیری کامپیوتر کوانتومی فوتونی من منجر می‌شود: "هر چه زمان حلقه های مالتی پلکس بیشتر باشد، زمان کمتری برای مقیاس بندی نیاز است." شکل 3 همان مفهوم را از ویدئوی انتشار مطبوعاتی Xanadu نشان می دهد.

شکل 3. مفهوم Multiplexing زمان برای افزایش درهم تنیدگی، کاهش تعداد پرتوهای تقسیم‌کننده و پشتیبانی از مقیاس‌پذیری بهتر. قاب گرفتن از ویدیوی انتشار مطبوعاتی Xanadu.

اکنون می‌توانیم به‌طور شهودی مقیاس‌پذیری را با مشاهده تنظیمات آزمایشگاهی درک کنیم. اندرسن اجزا را مشخص می کند که مقیاس پذیر هستند و نیستند، از کامپیوتر کوانتومی فوتونیک گروه DTU خودش، با استفاده از معماری منتشر شده توسط لارسن و همکاران، 2021.

مسابقه USTC

پروفسور اندرسن نیز شناسایی می کند، در پرسش و پاسخ از ارائه او، چرا گروه دانشگاه علم و صنعت چین (USTC): Jiuzhang 2.0، نمی تواند مقیاس شود. گروه USTC از منابع فضای آزاد، نور فشرده برای خود استفاده می کند 113 کیوبیت فوتونیک، که عبارتند از: 5x5x5cm، با پرتو شکاف دهنده های مربوطه برای درهم تنیدگی. برای محاسبات تحمل‌پذیر خطا، به یک میلیون حالت نور فشرده نیاز دارید. بنابراین، در حالی که این یک تلاش چشمگیر برای برتری کوانتومی است، این معماری سیستم را بسیار بزرگ می کند.

چند نقشه راه کامپیوتر کوانتومی فوتونیک

علاوه بر لارسن و همکاران، 2021در بالا، این نقشه‌های راه برای محاسبات کوانتومی فوتونیک به خوبی در جامعه ارجاع داده شده‌اند:

در حال رشد فروشندگان و گروه های کامپیوتر کوانتومی فوتونیک

تحقیقات. جامعه بین المللی محاسبات کوانتومی فوتونیک با صنعت در حال رشد است. از سال 2012، تقریباً 850 مقاله تحقیقاتی فناوری کوانتومی فوتونیک در arXiV وجود دارد که در دهه گذشته 600 درصد افزایش داشته است. سریعترین افزایش سالانه تا کنون در سال 2022 است (حدود 50٪ تا پایان سال). این رشد همگام با رشد (همچنین 600٪) بقیه زمینه تحقیقات فناوری کوانتومی در طول دهه است.

مشارکت در کنفرانس. اگر وزن ناهموار و جغرافیایی شمال شرقی موجودیت ها را با هم مقایسه کنیم، جامعه نیز در حال افزایش است. 2019 (35) و 2022  (45) کارگاه آموزشی فوتونیک برای کوانتومی (PfQ).. پرش به سایت PfQ 2019 بسیار ارزشمند است: آنها ویدیوهای ارائه مفیدی را با ارائه های مربوطه ضبط کرده اند.

نهادها، برخی با پتنت. ردیابی رشد اختراعات ثبت اختراعات کوانتومی فوتونیک به دلیل وضوح کلمه کلیدی درشت "photonic" چالش برانگیز است. با این حال می توان برخی از صاحبان اختراع را شناسایی کرد. در اینجا چند فروشنده و گروه در زمینه محاسبات کوانتومی فوتونیک با پتنت های موجود آورده شده است:

Canada

ایالات متحده

• کالیفرنیا
• میشیگان

چین

آلمان

هلند

دانمارک

تصویر زمینه محاسبات کوانتومی فوتونیک

تابستان است و برای پایان دادن به آن، می خواهم گرافیک مورد علاقه ام را از این زمینه به اشتراک بگذارم. این فضای رنگارنگ و بی‌بعدی هیلبرت است که توسط برایانا گوپول، که در سال 2018 در زانادو کارآموز بود، ایجاد شد. مقاله متوسط در مورد کوانتوم فوتونیک پایه عملیات دروازه; او ما را با این بصری غنی رفتار می کند. اکنون صفحه دسکتاپ من است.

آمارا گرپس، Ph.D. یک فیزیکدان بین رشته ای، دانشمند سیاره ای، ارتباط دهنده علم و مربی و متخصص در تمام فناوری های کوانتومی است.