Komputasi Kuantum Fotonik Memajukan Cahaya Terjepit

1 Juni, sepuluh bagian, pengumuman pers di Twitter untuk Komputer kuantum fotonik Borealis Xanadu bisa itu templat siaran pers yang dicita-citakan oleh semua perusahaan kuantum lainnya. Di thread tersebut, CEO perusahaan menyatakan:

1) tautan ke makalah ilmiah berkualitas tinggi (Madsen dkk, 2022) yang menunjukkan keberhasilan tertentu;
2) bagaimana kemajuan mereka membandingkan untuk teknologi serupa;
3) bagaimana masyarakat umum dapat menggunakannya saya t;
4) berapa uang mukanya diringkas menjadi satu atau dua kalimat;
5) membahas secara langsung beberapa masalah masa lalu yang muncul dari perbandingan perangkat keras kuantum. Dalam hal ini: 'spoofing' dan 'masalah komputasi nyata';
6) video berkualitas, yang menjelaskan kemajuan tersebut.

Itu adalah siaran pers yang luar biasa karena kualitasnya yang ringkas dan fokus pada teknologi. Mari kita mulai dari awal.

Komputasi Kuantum Fotonik: Apa Itu?

Perangkat kuantum fotonik beroperasi dengan prinsip keterjeratan yang berbeda secara fundamental dibandingkan perangkat kuantum berbasis putaran. Komputer kuantum fotonik Xanadu didasarkan pada model variabel kontinu (CV). Grafik pada Gambar 1 dari Zachary Vernon pada Lokakarya PfQ 2019 menjelaskan perbedaan mendasar pertama. Alih-alih status |1>, |0> diskrit, kami memiliki variabel kontinu bidang cahaya, di mana informasi tentang amplitudo dan kuadratur fase dikodekan.

Gambar 1. Gambar 1 dari Zachary Vernon presentasinya di Photonics for Quantum Workshop 2019, menjelaskan perbedaan mendasar.

Tantangan bagi qubit fotonik adalah umurnya yang pendek. Namun, jika ada yang menggunakannya berbasis pengukuran (MB) komputasi kuantum (QC) sebagai gantinya berbasis gerbang komputasi kuantum, maka seseorang dapat menghindari qubit fotonik yang berumur pendek secara alami, karena penghitungannya dilakukan segera. Qubit menjadi pengukuran tertentu dalam ruang fase dari distribusi tertentu, yang disebut cahaya yang diperas or keadaan terjepit.  Negara bagian yang terjepit mengambil keuntungan dari trade-off untuk “memeras” atau mengurangi ketidakpastian dalam pengukuran suatu variabel tertentu, sekaligus meningkatkan ketidakpastian dalam pengukuran variabel lain yang dapat diabaikan oleh peneliti. Node qubit digantikan oleh status terjepit. Pengambilan sampel boson Gaussian (GBS) adalah ketika seseorang mengambil sampel dari distribusi keadaan yang diperas.

Untuk memahami konsep komputasi kuantum variabel kontinu, berbasis pengukuran, deskripsi terbaik yang saya temukan ada di YouTube, di mana Ulrik Lund Andersen dari Technical University of Denmark (DTU), pada November 2021, memberikan penjelasan berorientasi visual , pembicaraan daring: Komputasi kuantum optik dengan variabel kontinu. Pembicaraannya melangkah melalui pengukuran, baris demi baris dari susunan keadaan terjepit dengan menunjukkan bagaimana keadaan terjepit terjerat ke keadaan masukan, untuk menjadi negara bagian yang berkerumun. Melalui pengukuran pada negara-negara berkerumun, seseorang mengeksekusi gerbang, misalnya: set gerbang universal seperti yang dijelaskan oleh Lloyd dan Braunstein, 1999, dalam fondasi klasiknya: Perhitungan kuantum atas variabel kontinu. Andersen kemudian memperkenalkan yang lainnya komponen kunci dari komputer kuantum fotonik.

• pemecah sinar; adalah cermin semi-reflektif dan cara untuk menjerat dua node keadaan terjepit yang berbeda. Output dari loop menandakan “keadaan terjepit dua mode” yang juga dikenal sebagai status EPR variabel kontinu (lompat ke video Andersen);
• deteksi homodyne: adalah osilator lokal yang menyediakan cara untuk memilih kuadratur dalam ruang fase untuk diukur dan menghasilkan status keluaran baru;
• kemudian, dalam urutan setelah deteksi homodyne, bersifat sensitif detektor foton untuk menghitung jumlah foton.

Gambar 2. Ulrik Lund Andersen dari Technical University of Denmark (DTU), pada bulan November 2021, memberikan ceramah online yang berorientasi visual: Komputasi kuantum optik dengan variabel kontinu.

Sistem dengan koneksi serat optik mempunyai keuntungan yang besar. Untuk jarak > 1cm, energi yang diperlukan untuk mentransmisikan sedikit menggunakan foton melalui serat lebih kecil daripada energi yang diperlukan untuk mengisi saluran transmisi elektronik 50 ohm yang menempuh jarak yang sama. (Nielsen & Chuang, 2010, hal. 296). Mereka juga dapat memanfaatkan jaringan serat optik yang ada untuk komunikasi.

Cara Menskalakan Komputer Kuantum Fotonik

milik Xanadu keberhasilan teknologi baru tunjukkan pada kami (Madsen dkk, 2022) bagaimana komputasi kuantum fotonik dapat ditingkatkan dan ditingkatkan secara dramatis:

• pembangkitan cahaya non-klasik: generator cahaya yang diperas pada sebuah chip;
• multiplexing domain waktu: loop, yang memungkinkan akses ke mode yang lebih ringan, tanpa meningkatkan jangkauan fisik atau kompleksitas sistem;
• implementasi set gerbang universal: dapat diprogram (Bromley dkk, 2019);
• peralihan elektro-optik yang cepat: dari interferometer, status Gaussian dikirim ke pohon saklar biner 1 hingga 16 (demux), yang melakukan de-multiplexing sebagian pada output sebelum dibaca oleh PNR;
• Ditambah lagi, peningkatan PNR yang memiliki a sasaran suhu ruangan dalam penglihatan:
  • teknologi pendeteksi penyelesaian nomor foton (PNR) berkecepatan tinggi: serangkaian detektor penyelesaian nomor foton (PNR) berdasarkan sensor tepi transisi superkonduktor (TES) dengan efisiensi deteksi 95% (Arrazola dkk., 2021).

Profesor Anderson mengilustrasikan inovasi utama: multipleksing waktu dengan animasi langkah demi langkah, dari pembangkitan kluster 2D dengan cahaya terjepit, menggunakan loop dalam serat optik yang ditunda tepat satu siklus jam. Jalur cahaya kemudian disinkronkan antara pemecah berkas. Jika Anda menambahkan lebih banyak loop, akan ada lebih banyak keterjeratan, dan lebih sedikit pemecah berkas yang diperlukan. Hal ini mengarah pada heuristik penskalaan komputer kuantum fotonik saya: “Semakin banyak time multiplexing loop, semakin sedikit waktu yang dibutuhkan untuk melakukan penskalaan.” Gambar 3 mengilustrasikan konsep yang sama dari video siaran pers Xanadu.

Gambar 3. Konsep time multiplexing untuk meningkatkan keterikatan, mengurangi jumlah beam splitter, dan mendukung skalabilitas yang lebih baik. Ambil bingkai dari Video siaran pers Xanadu.

Sekarang kita dapat memahami skalabilitas secara intuitif, ketika kita melihat pengaturan laboratorium. Andersen mengidentifikasi komponen-komponennya yang dapat diskalakan dan tidak dapat diskalakan oleh komputer kuantum fotonik milik grup DTU miliknya, dengan menggunakan arsitektur yang diterbitkan oleh Larsen dkk, 2021.

Kompetisi USTC

Prof Andersen juga mengidentifikasi, dalam Q & A dari presentasinya, mengapa kelompok Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok (USTC): Jiuzhang 2.0, tidak dapat diskalakan. Grup USTC menggunakan sumber ruang bebas dan cahaya terbatas untuk mereka 113 qubit fotonik, yaitu: 5x5x5cm, dengan pemisah sinar yang sesuai untuk belitan. Untuk komputasi yang toleran terhadap kesalahan, seseorang memerlukan ~satu juta kondisi cahaya yang diperas. Oleh karena itu, meskipun ini merupakan upaya supremasi kuantum yang mengesankan, arsitektur ini akan membuat sistem menjadi sangat besar.

Beberapa Peta Jalan Komputer Kuantum Fotonik

Selain Larsen dkk, 2021, di atas, Peta Jalan untuk Komputasi Kuantum Fotonik ini memiliki referensi yang baik di komunitas:

Vendor dan Grup Komputer Kuantum Fotonik yang Berkembang

Penelitian. Komunitas komputasi kuantum fotonik internasional dengan industri sedang berkembang. Sejak tahun 2012, terdapat sekitar 850 total makalah penelitian teknologi kuantum fotonik di arXiV dengan peningkatan ~600% dalam dekade terakhir. Peningkatan tahunan tercepat sejauh ini terjadi pada tahun 2022 (~50% skalanya hingga akhir tahun). Pertumbuhan ini sejalan dengan pertumbuhan (juga ~600%) bidang penelitian teknologi kuantum lainnya selama dekade ini.

Partisipasi Konferensi. Komunitasnya juga meningkat, jika kita membandingkan bobot entitas di wilayah timur laut yang tidak merata dan geografis 2019 (35) dan 2022  (45) Lokakarya Fotonik untuk Quantum (PfQ).. Sangatlah bermanfaat untuk mengunjungi situs PfQ 2019: mereka telah merekam video presentasi yang bermanfaat dengan presentasi yang sesuai.

Entitas, Beberapa dengan Paten. Melacak pertumbuhan Paten dari paten kuantum fotonik merupakan suatu tantangan, karena resolusi kata kunci 'fotonik' yang kasar. Namun beberapa Penerima Paten dapat diidentifikasi. Berikut beberapa Vendor dan Grup di bidang komputasi kuantum fotonik dengan paten yang tersedia:

Kanada

Amerika Serikat

• California
• Michigan

Tiongkok

Jerman

Belanda

Denmark

Wallpaper Komputasi Kuantum Fotonik

Ini musim panas, dan sebagai penutup, saya ingin berbagi grafik favorit saya dari bidang ini. Ini adalah ruang Hilbert yang penuh warna dan berdimensi tak terbatas, yang dihasilkan oleh Brianna Gopaul, yang magang di Xanadu pada tahun 2018. Dalam bantuannya Artikel sedang tentang kuantum fotonik dasar operasi gerbang; dia mentraktir kita dengan visual yang kaya ini. Ini layar desktop saya sekarang.

Graps Amara, Ph.D. adalah fisikawan interdisipliner, ilmuwan planet, komunikator sains, dan pendidik, serta ahli dalam semua teknologi kuantum.