L'informatique quantique photonique fait progresser la lumière comprimée

Le 1er juin, en dix parties, annonce à la presse sur Twitter en L'ordinateur quantique photonique Borealis de Xanadu pourrait être le modèle de communiqué de presse auquel aspirent toutes les autres entreprises quantiques. Dans le fil de discussion, le PDG de l’entreprise a fourni :

1) un lien vers un article scientifique de haute qualité (Madsen et al, 2022) qui démontre le succès particulier ;
2) comment leur avance compare à une technologie similaire ;
3) comment le le grand public peut utiliser ce;
4) quelle est l'avance résumé en une ou deux phrases;
5) aborde directement quelques problèmes passés qui ont émergé de la comparaison du matériel quantique. Dans ce cas : « usurpation d’identité » et « vrais problèmes informatiques » ;
6) un vidéo de qualité, ce qui explique l'avance.

Il s’agissait d’un communiqué de presse remarquable par sa qualité succincte et mettant l’accent sur la technologie. Commençons par le début.

Informatique quantique photonique : qu’est-ce que c’est ?

Les dispositifs quantiques photoniques fonctionnent selon des principes d’intrication fondamentalement différents de ceux des dispositifs quantiques basés sur le spin. Les ordinateurs quantiques photoniques de Xanadu sont basés sur le modèle à variable continue (CV). Le graphique de la figure 1 de Zachary Vernon lors de l'atelier PfQ 2019 explique la première différence fondamentale. Au lieu d'états discrets |1>, |0>, nous avons des variables continues du champ lumineux, où les informations sur l'amplitude et la quadrature de phase sont codées.

Figure 1. Fig.1 de Zachary Vernon sa présentation au Photonics for Quantum Workshop 2019, explique la différence fondamentale.

Le défi des qubits photoniques est qu’ils ont une durée de vie courte. Cependant, si l'on utilise basé sur la mesure (Mo) informatique quantique (CQ) au lieu de basé sur une porte l'informatique quantique, on peut alors contourner naturellement les qubits photoniques de courte durée, car les calculs sont effectués immédiatement. Le qubit devient une mesure particulière dans l'espace des phases d'une distribution particulière, appelée lumière pressée or état pressé.  États pressés profiter du compromis pour « presser » ou réduire l'incertitude dans les mesures d'une variable donnée, tout en augmentant l'incertitude dans la mesure d'une autre variable que les chercheurs peuvent ignorer. Les nœuds qubit sont remplacés par des états compressés. Échantillonnage de bosons gaussiens (GBS) c'est quand on tire des échantillons de la distribution des états comprimés.

Pour comprendre le concept d'informatique quantique à variable continue et basée sur des mesures, la meilleure description que j'ai trouvée se trouve sur YouTube, où Ulrik Lund Andersen de l'Université technique du Danemark (DTU), en novembre 2021, a donné une présentation visuelle. , discussion en ligne : Informatique quantique optique à variables continues. Son discours passe en revue les mesures, ligne par ligne, du tableau d'états compressés en montrant comment les états compressés sont intriqués aux états d'entrée, pour devenir états regroupés. Grâce à des mesures sur les états clusterisés, on exécute portes, par exemple : l'ensemble de portes universelles tel que décrit par Lloyd et Braunstein, 1999, dans leur fondement classique : Calcul quantique sur variables continues. Andersen présente ensuite l'autre éléments clés du ordinateur quantique photonique.

• séparateurs de faisceau; sont des miroirs semi-réfléchissants et la manière d'enchevêtrer deux nœuds d'état comprimés différents. La sortie de la boucle signifie « l’état compressé à deux modes » corrélé également connu sous le nom de état EPR variable continue (passer à la vidéo d'Andersen);
• détection homodyne: est un oscillateur local qui permet de choisir la quadrature dans l'espace des phases à mesurer et qui produit de nouveaux états de sortie ;
• puis, dans la séquence après la détection homodyne, sont sensibles détecteurs de photons compter le nombre de photons.

Figure 2. Ulrik Lund Andersen de l'Université technique du Danemark (DTU), en novembre 2021, a donné une conférence en ligne à caractère visuel : Informatique quantique optique à variables continues.

Systèmes avec connexions fibre optique ont un grand avantage. Pour des distances > 1 cm, l'énergie nécessaire pour transmettre un bit à l'aide d'un photon sur une fibre est inférieure à l'énergie nécessaire pour charger une ligne de transmission électronique typique de 50 ohms couvrant la même distance. (Nielsen et Chuang, 2010, p. 296). Ils peuvent également exploiter les réseaux de fibre optique existants pour la communication.

Comment mettre à l'échelle un ordinateur quantique photonique

de Xanadu nouveaux succès technologiques montre nous (Madsen et al, 2022) comment l'informatique quantique photonique peut être considérablement améliorée et mise à l'échelle :

• génération de lumière non classique: générateurs de lumière pressés sur une puce ;
• multiplexage dans le domaine temporel: des boucles, qui permettent d'accéder à des modes de lumière plus restreints, sans augmenter l'étendue physique ou la complexité du système ;
• Implémentation du portail universel : programmable (Bromley et coll., 2019);
• commutation électro-optique rapide: depuis l'interféromètre, l'état gaussien est envoyé à un arbre de commutation binaire 1 à 16 (demux), qui démultiplexe partiellement la sortie avant lecture par les PNR ;
• De plus, une amélioration du PNR, qui a un objectif de température ambiante en vue:
  • technologie de détection à grande vitesse et résolution du nombre de photons (PNR): une gamme de détecteurs à résolution du nombre de photons (PNR) basés sur des capteurs supraconducteurs à transition (TES) avec une efficacité de détection de 95 % (Arrazola et coll., 2021).

Le professeur Anderson illustre une innovation clé : multiplexage temporel avec une animation pas à pas, d'une génération de clusters 2D à lumière pressée, utilisant une boucle dans la fibre optique qui est retardée d'exactement un cycle d'horloge. Le trajet lumineux est ensuite synchronisé entre les séparateurs de faisceaux. Si vous ajoutez plus de boucles, il y a plus d'enchevêtrement et moins de séparateurs de faisceaux nécessaires. Cela conduit à mon heuristique de mise à l'échelle de l'ordinateur quantique photonique : "Plus il y a de boucles de multiplexage temporel, moins il faut de temps pour évoluer." La figure 3 illustre le même concept issu de la vidéo du communiqué de presse de Xanadu.

Figure 3. Concept de multiplexage temporel pour augmenter l'enchevêtrement, réduire le nombre de séparateurs de faisceaux et prendre en charge une meilleure évolutivité. Capture d'image du Vidéo du communiqué de presse de Xanadu.

Nous pouvons désormais comprendre intuitivement l’évolutivité lorsque nous voyons une configuration de laboratoire. Andersen identifie les composants qui sont, et ne sont pas, évolutifs, de l'ordinateur quantique photonique de son propre groupe DTU, en utilisant l'architecture publiée par Larsen et coll., 2021.

Concours USTC

Le professeur Andersen identifie également, dans le Questions et réponses de sa présentation, pourquoi le groupe de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) : Jiuzhang 2.0, ne peut pas évoluer. Le groupe USTC utilise des sources de lumière comprimée en espace libre pour leurs 113 qubits photoniques, qui sont : 5x5x5 cm, avec les séparateurs de faisceau correspondants pour l'enchevêtrement. Pour un calcul tolérant aux pannes, il faut environ un million d’états légers. Par conséquent, bien qu’il s’agisse d’un effort impressionnant de suprématie quantique, cette architecture rendrait le système d’une taille prohibitive.

Quelques feuilles de route des ordinateurs quantiques photoniques

En plus des Larsen et coll., 2021, ci-dessus, ces feuilles de route pour l'informatique quantique photonique sont bien référencées dans la communauté :

Fournisseurs et groupes croissants d’ordinateurs quantiques photoniques

Recherche. La communauté internationale de l’informatique quantique photonique avec l’industrie est en pleine croissance. Depuis 2012, arXiV a publié environ 850 articles de recherche sur la technologie quantique photonique, avec une augmentation d'environ 600 % au cours de la dernière décennie. L’augmentation annuelle la plus rapide a eu lieu jusqu’à présent en 2022 (environ 50 % jusqu’à la fin de l’année). Cette croissance suit le rythme de la croissance (également ~600 %) du reste du domaine de la recherche en technologie quantique au cours de la décennie.

Participation à la conférence. La communauté s'agrandit également, si l'on compare le poids géographique nord-est inégal des entités du 2019 (35) et le 2022  (45) Atelier Photonique pour le Quantum (PfQ). Cela vaut particulièrement la peine de consulter le site PfQ 2019 : ils ont enregistré des vidéos de présentation utiles avec les présentations correspondantes.

Entités, certaines avec des brevets. Suivre la croissance des brevets sur le quantum photonique est un défi, en raison de la résolution grossière des mots clés « photoniques ». Toutefois, certains cessionnaires de brevets peuvent être identifiés. Voici quelques fournisseurs et groupes dans le domaine de l’informatique quantique photonique avec des brevets disponibles :

Canada

États-Unis

• Californie
• Michigan

Chine

Allemagne

Pays-Bas

Danemark

Informatique quantique photonique Fond d'écran

C’est l’été, et pour finir en légèreté, j’aimerais partager mes graphismes préférés dans ce domaine. Il s'agit de l'espace Hilbert coloré et de dimension infinie, généré par Brianna Gopaul, qui était stagiaire à Xanadu en 2018. Dans son utile Article moyen à propos du quantum photonique de base opérations de porte; elle nous offre ce riche visuel. C'est mon écran de bureau maintenant.

Amara Graps, Ph.D. est un physicien interdisciplinaire, scientifique planétaire, communicateur scientifique et éducateur et expert sur toutes les technologies quantiques.