Fotoninen kvanttilaskenta edistää puristettua valoa

1. kesäkuuta, kymmenen osaa, lehdistötiedote Twitterissä varten Xanadun Borealis-fotoninen kvanttitietokone voisi olla Ishayoiden opettaman lehdistötiedotemalli johon kaikki muut kvanttiyritykset pyrkivät. Yrityksen toimitusjohtaja kertoi ketjussa:

1) kohtaan linkki korkealaatuiseen tieteelliseen julkaisuun (Madsen ym., 2022), joka osoittaa erityisen menestyksen;
2) kuinka heidän edistymisensä vertaa samanlaiseen tekniikkaan;
3) kuinka suuri yleisö voi käyttää se;
4) mikä on ennakko tiivistyy yhteen tai kahteen lauseeseen;
5) käsittelee suoraan pari menneisyyttä jotka ovat selvinneet kvanttilaitteistojen vertailusta. Tässä tapauksessa: "huijaus" ja "todelliset laskennalliset ongelmat";
6) kohtaan laadukas video, mikä selittää ennakon.

Se oli merkittävä lehdistötiedote ytimekkäästä laadustaan ​​keskittyen teknologiaan. Aloitetaan alusta.

Fotoninen kvanttilaskenta: mitä se on?

Fotoniset kvanttilaitteet toimivat pohjimmiltaan erilaisilla takertumisperiaatteilla kuin spin-pohjaiset kvanttilaitteet. Xanadun fotoniset kvanttitietokoneet perustuvat jatkuvan muuttujan (CV) malliin. Kuvan 1 grafiikka Zachary Vernonilta PfQ 2019 -työpajassa selittää ensimmäisen perustavanlaatuisen eron. Diskreettien |1>, |0>-tilojen sijasta meillä on valokentän jatkuvat muuttujat, joihin koodataan tietoa amplitudista ja vaihekvadratuurista.

Kuva 1. Kuva 1 Zachary Vernonilta hänen esityksensä 2019 Photonics for Quantum Workshopissa, selittää perustavanlaatuisen eron.

Haaste fotonisille kubiteille on, että ne ovat lyhytikäisiä. Kuitenkin jos joku käyttää mittausperusteinen (MB) kvanttilaskentaa (QC) sen sijaan porttipohjainen kvanttilaskentaa, lyhytikäiset fotonikubitit voidaan kiertää luonnollisesti, koska laskelmat suoritetaan välittömästi. Kubitista tulee tietty mittaus tietyn jakauman vaiheavaruudessa, jota kutsutaan puristettua valoa or puristettu tila.  Puristetut tilat hyödyntää kompromissia "puristaa" tai vähentääksesi epävarmuutta tietyn muuttujan mittauksissa, samalla kun lisää epävarmuutta toisen muuttujan mittauksessa, jonka tutkijat voivat jättää huomiotta. Kubittisolmut korvataan puristetuilla tiloilla. Gaussin bosonin näytteenotto (GBS) on, kun otetaan näytteitä puristettujen tilojen jakaumasta.

Jatkuvan muuttujan, mittauspohjaisen kvanttilaskennan käsitteen ymmärtämiseksi paras kuvaus, jonka olen löytänyt, on YouTubessa, jossa Ulrik Lund Andersen Tanskan teknisestä yliopistosta (DTU) marraskuussa 2021 antoi visuaalisesti suuntautuneen , online-keskustelu: Optinen kvanttilaskenta jatkuvilla muuttujilla. Hänen puheensa käy läpi mittaukset, rivi riviltä puristettujen tilojen joukon näyttämällä, kuinka puristetut tilat kietoutuvat syöttötiloihin, jotta niistä tulee klusteroituja tiloja. Klusteroitujen tilojen mittausten avulla suoritetaan portit, esimerkiksi: yleisporttisarja, sellaisena kuin Lloyd ja Braunstein, 1999, kuvailevat klassista perustaa: Kvanttilaskenta jatkuvien muuttujien yli. Andersen esittelee sitten toisen tärkeimmät komponentit fotoninen kvanttitietokone.

• säteen jakajat; ovat puoliheijastavia peilejä ja tapa yhdistää kaksi erilaista puristetun tilan solmua. Ulostulo silmukalla tarkoittaa korreloitua "kaksimoodia puristettua tilaa", joka tunnetaan myös nimellä jatkuva muuttuva EPR-tila (Siirry Andersenin videoon);
• homodyne-tunnistus: on paikallinen oskillaattori, joka tarjoaa tavan valita vaiheavaruudessa mitattava kvadratuuri ja joka tuottaa uusia lähtötiloja;
• sitten homodyne-ilmaisun jälkeisessä sekvenssissä ovat herkkiä fotoniilmaisimet laskea fotonien lukumäärää.

Kuva 2. Ulrik Lund Andersen Tanskan teknisestä yliopistosta (DTU) piti marraskuussa 2021 visuaalisesti suuntautuneen verkkopuheen: Optinen kvanttilaskenta jatkuvilla muuttujilla.

Järjestelmät valokuituliitännät on suuri etu. Yli 1 cm:n etäisyyksillä energia, joka tarvitaan bitin lähettämiseen fotonilla kuidun yli, on pienempi kuin energia, joka tarvitaan tyypillisen 50 ohmin elektronisen siirtojohdon lataamiseen, joka kattaa saman matkan. (Nielsen & Chuang, 2010, s. 296). He voivat myös hyödyntää olemassa olevia optisia kuituverkkoja viestintään.

Kuinka skaalata fotoninen kvanttitietokone

Xanadun uusia teknologisia menestyksiä näytä meille (Madsen ym., 2022) kuinka fotonista kvanttilaskentaa voidaan parantaa ja skaalata dramaattisesti:

• ei-klassinen valon sukupolvi: puristetut valogeneraattorit sirulle;
• aika-alueen multipleksointi: silmukat, jotka mahdollistavat pääsyn enemmän puristetun valon tiloihin lisäämättä järjestelmän fyysistä laajuutta tai monimutkaisuutta;
• yleisporttisarjan toteutus: ohjelmoitava (Bromley ym., 2019);
• nopea sähköoptinen kytkentä: interferometristä Gaussin tila lähetetään 1-16 binääriseen kytkinpuuhun (demux), joka osittain demultipleksoi lähdön ennen PNR:ien lukemista;
• Lisäksi PNR:n parannus, jolla on a huonelämpötilatavoite näkyvissä:
  • nopea PNR-tunnistustekniikka: joukko PNR-ilmaisimia, jotka perustuvat suprajohtaviin siirtymäreunaantureisiin (TES) ja joiden tunnistusteho on 95 % (Arrazola ym., 2021).

Professori Anderson havainnollistaa keskeistä innovaatiota: aika multipleksointi kanssa vaiheittainen animaatio2D, puristetun valon klusterisukupolvi, jossa käytetään optisen kuidun silmukkaa, joka viivästyy täsmälleen yhden kellojakson verran. Valon reitti synkronoidaan sitten säteenjakajien välillä. Jos lisäät silmukoita, syntyy enemmän kietoutumista ja vähemmän tarvittavia säteenjakajia. Tämä johtaa fotoniseen kvanttitietokoneen skaalausheuristiikkaani: "Mitä enemmän aikaa multipleksointisilmukoille, sitä vähemmän aikaa tarvitaan skaalaukseen." Kuva 3 havainnollistaa samaa konseptia Xanadu-lehdistötiedotevideosta.

Kuva 3. Aikamultipleksointikonsepti lisää kietoutumista, vähentää säteenjakajien määrää ja tukee parempaa skaalautuvuutta. Frame-tarttumaa Xanadu-lehdistötiedotevideo.

Nyt voimme intuitiivisesti ymmärtää skaalautuvuuden, kun näemme laboratoriokokoonpanon. Andersen tunnistaa komponentit jotka ovat ja eivät ole skaalautuvia hänen oman DTU-ryhmän fotonisesta kvanttitietokoneesta käyttämällä arkkitehtuuria, julkaisija Larsen ym., 2021.

USTC kilpailu

Professori Andersen tunnistaa myös Kysymyksiä ja vastauksia hänen esityksestään, miksi Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) ryhmä: Jiuzhang 2.0, ei voi skaalata. USTC-ryhmä käyttää vapaan tilan, puristetun valon lähteitä 113 fotonista kubittia, jotka ovat: 5x5x5cm, vastaavilla säteenjakajilla soittumista varten. Vikasietoiseen laskentaan tarvitaan ~yksi miljoona, puristetun valon tilaa. Siksi, vaikka tämä on vaikuttava kvanttiylivallan yritys, tämä arkkitehtuuri tekisi järjestelmästä kohtuuttoman suuren.

Jotkut fotonisen kvanttitietokoneen etenemissuunnitelmat

Lisäksi Larsen ym., 2021edellä, nämä Photonic Quantum Computingin etenemissuunnitelmat ovat hyvin viitattuja yhteisössä:

Kasvavat fotonisten kvanttitietokoneiden myyjät ja ryhmät

Tutkimus. Kansainvälinen fotoninen kvanttilaskentayhteisö teollisuuden kanssa kasvaa. Vuodesta 2012 lähtien arXiV:llä on yhteensä noin 850 fotonikvanttiteknologian tutkimusta, ja kasvu on ollut noin 600 % viimeisen vuosikymmenen aikana. Nopein vuotuinen kasvu on toistaiseksi tänä vuonna 2022 (~50 % skaalattu vuoden loppuun). Tämä kasvu on tahdissa muun kvanttiteknologian tutkimusalan kasvun (myös ~600 %) tahdissa vuosikymmenen aikana.

Konferenssiin osallistuminen. Yhteisö kasvaa myös, jos vertaamme entiteettien epätasaista maantieteellistä koillispainoa. 2019 (35) ja 2022  (45) Photonics for Quantum (PfQ) Workshop. Erityisesti kannattaa hypätä vuoden 2019 PfQ-sivustolle: he ovat nauhoittaneet hyödyllisiä esitysvideoita vastaavien esityksiin.

Entiteetit, joillakin on patentteja. Fotonisten kvanttipatenttien patenttien kasvun seuraaminen on haastavaa karkean "fotonisen" avainsanan resoluution vuoksi. Jotkut patentin haltijat voidaan kuitenkin tunnistaa. Tässä on joitain fotonisen kvanttilaskenta-alan toimittajia ja ryhmiä saatavilla olevilla patenteilla:

Kanada

USA

• Kalifornia
• Michigan

Kiina

Saksa

Alankomaat

Tanska

Photonic Quantum Computing -taustakuva

On kesä, ja lopetan kevyesti, haluan jakaa suosikkigrafiikkani tältä alalta. Tämä on värikäs, äärettömän ulotteinen Hilbert-avaruus, jonka on luonut Brianna Gopaul, joka oli harjoittelijana Xanadussa vuonna 2018. Hänen hyödyllisissään Keskitasoinen artikkeli fotonisesta peruskvantista porttioperaatiot; hän kohtelee meitä tällä rikkaalla visuaalilla. Se on nyt työpöytäni näyttö.

Amara Graps, Ph.D. on poikkitieteellinen fyysikko, planeettatieteilijä, tiedeviestintä ja kouluttaja sekä kaikkien kvanttiteknologioiden asiantuntija.