I progressi del calcolo quantistico fotonico hanno spremuto la luce

Il 1 giugno, in dieci parti, comunicato stampa su Twitter per Il computer quantistico fotonico Borealis di Xanadu potrebbe essere , il modello di comunicato stampa a cui aspirano tutte le altre aziende quantistiche. Nel thread, il CEO dell’azienda ha fornito:

1) un collegamento a un articolo scientifico di alta qualità (Madsen et al, 2022) che ne dimostra il particolare successo;
2) come avanzano a confronto a una tecnologia simile;
3) come il pubblico in generale può utilizzare essa;
4) qual è l'anticipo ridotto a una o due frasi;
5) affronta direttamente un paio di questioni passate che sono emersi dal confronto dell’hardware quantistico. In questo caso: “spoofing” e “problemi computazionali reali”;
6) un video di qualità, il che spiega l'anticipo.

È stato un comunicato stampa notevole per la sua qualità concisa con un focus sulla tecnologia. Cominciamo dall'inizio.

Informatica quantistica fotonica: che cos'è?

I dispositivi quantistici fotonici funzionano secondo principi di entanglement fondamentalmente diversi rispetto ai dispositivi quantistici basati sullo spin. I computer quantistici fotonici di Xanadu si basano sul modello a variabile continua (CV). Il grafico in Fig. 1 di Zachary Vernon al workshop PfQ 2019 spiega la prima differenza fondamentale. Invece di stati discreti |1>, |0>, abbiamo variabili continue del campo luminoso, dove sono codificate informazioni sull'ampiezza e sulla quadratura di fase.

Figure 1 . Fig. 1 di Zachary Vernon la sua presentazione al Photonics for Quantum Workshop 2019, spiega la differenza fondamentale.

La sfida per i qubit fotonici è che hanno vita breve. Tuttavia, se si usa basato su misurazioni (MB) calcolo quantistico (QC) invece di basato su gate calcolo quantistico, allora è possibile aggirare naturalmente i qubit fotonici di breve durata, perché i calcoli vengono eseguiti immediatamente. Il qubit diventa una misura particolare nello spazio delle fasi di una particolare distribuzione, che viene chiamata luce spremuta or stato schiacciato.  Stati schiacciati sfruttare il compromesso per “comprimere” o ridurre l’incertezza nelle misurazioni di una determinata variabile, aumentando al contempo l’incertezza nella misurazione di un’altra variabile che i ricercatori possono ignorare. I nodi qubit vengono sostituiti da stati compressi. Campionamento di bosoni gaussiani (GBS) è quando si estraggono campioni dalla distribuzione degli stati compressi.

Per comprendere il concetto di calcolo quantistico a variabile continua, basato su misurazioni, la migliore descrizione che ho trovato è su YouTube, dove Ulrik Lund Andersen dell'Università tecnica della Danimarca (DTU), nel novembre 2021, ha tenuto un discorso orientato visivamente , discussione in linea: Calcolo quantistico ottico con variabili continue. Il suo discorso procede attraverso le misurazioni, riga per riga, della serie di stati compressi, mostrando come gli stati compressi sono intrecciati agli stati di input, per diventare stati raggruppati. Attraverso misurazioni sugli stati cluster, si esegue cancelli, ad esempio: il cancello universale impostato come descritto da Lloyd e Braunstein, 1999, nella loro fondazione classica: Calcolo quantistico su variabili continue. Andersen poi presenta l'altro componenti chiave del computer quantistico fotonico.

• divisori di raggio; sono specchi semi-riflettenti e il modo di intrecciare due diversi nodi di stato schiacciati. L'output del loop indica il correlato "stato compresso a due modalità", noto anche come stato EPR variabile continuo (vai al video di Andersen);
• rilevamento omodino: è un oscillatore locale che fornisce un modo per scegliere la quadratura nello spazio delle fasi da misurare e che produce nuovi stati di uscita;
• poi, nella sequenza successiva alla rilevazione omodina, sono sensibili rilevatori di fotoni per contare il numero di fotoni.

Figure 2 . Ulrik Lund Andersen dell'Università tecnica della Danimarca (DTU), nel novembre 2021, ha tenuto un discorso online orientato alla vista: Calcolo quantistico ottico con variabili continue.

Sistemi con collegamenti in fibra ottica avere un grande vantaggio. Per distanze > 1 cm, l'energia necessaria per trasmettere un bit utilizzando un fotone su una fibra è inferiore all'energia richiesta per caricare una tipica linea di trasmissione elettronica da 50 ohm che copre la stessa distanza. (Nielsen e Chuang, 2010, pag. 296). Possono anche sfruttare le reti in fibra ottica esistenti per la comunicazione.

Come ridimensionare un computer quantistico fotonico

di Xanadu nuovi successi tecnologici mostraci (Madsen et al, 2022) come il calcolo quantistico fotonico può essere notevolmente migliorato e scalato:

• generazione di luce non classica: generatori di luce compressi su un chip;
• multiplexing nel dominio del tempo: loop, che consentono l'accesso a modalità a luce più compressa, senza aumentare l'estensione fisica o la complessità del sistema;
• Implementazione del set di porte universale: programmabile (Bromley e altri, 2019);
• commutazione elettro-ottica rapida: dall'interferometro, lo stato gaussiano viene inviato a un albero di commutazione binario da 1 a 16 (demux), che demultiplexa parzialmente l'uscita prima della lettura da parte dei PNR;
• Inoltre, un miglioramento del PNR, che ha a obiettivo della temperatura ambiente in vista:
  • tecnologia di rilevamento ad alta velocità con risoluzione del numero di fotoni (PNR).: una serie di rilevatori con risoluzione del numero di fotoni (PNR) basati su sensori superconduttori del bordo di transizione (TES) con efficienza di rilevamento del 95% (Arrazola et al., 2021).

Il professor Anderson illustra un’innovazione chiave: multiplexing temporale con una animazione passo-passo, di una generazione di cluster 2D a luce compressa, utilizzando un anello nella fibra ottica ritardato esattamente di un ciclo di clock. Il percorso della luce viene quindi sincronizzato tra i divisori di raggio. Se aggiungi più anelli, c'è più intreccio e meno divisori di raggio necessari. Ciò porta alla mia euristica di ridimensionamento del computer quantistico fotonico: "Più cicli di multiplexing temporale, meno tempo è necessario per scalare." La Figura 3 illustra lo stesso concetto tratto dal video del comunicato stampa di Xanadu.

Figure 3 . Concetto di multiplexing temporale per aumentare l'entanglement, ridurre il numero di beam splitter e supportare una migliore scalabilità. Cattura fotogramma dal Video del comunicato stampa di Xanadu.

Ora possiamo comprendere intuitivamente la scalabilità, quando vediamo la configurazione di un laboratorio. Andersen identifica i componenti che sono, e non sono, scalabili, del computer quantistico fotonico del suo stesso gruppo DTU, utilizzando l'architettura, pubblicata da Larsen et al, 2021.

Concorso USTC

Anche il Prof. Andersen individua, nel Domande e risposte della sua presentazione, perché il gruppo dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC): Jiuzhang 2.0, non può essere scalato. Il gruppo USTC utilizza sorgenti a spazio libero e a luce compressa per i propri progetti 113 qubit fotonici, che sono: 5x5x5 cm, con corrispondenti divisori di fascio per l'intreccio. Per l'elaborazione tollerante agli errori, sono necessari circa un milione di stati a luce compressa. Pertanto, sebbene si tratti di uno sforzo impressionante di supremazia quantistica, questa architettura renderebbe il sistema proibitivamente grande.

Alcune roadmap del computer quantistico fotonico

Oltre Larsen et al, 2021, sopra, queste Roadmap per il calcolo quantistico fotonico sono ben citate nella comunità:

Fornitori e gruppi in crescita di computer quantistici fotonici

Ricerca. La comunità internazionale del calcolo quantistico fotonico con l’industria è in crescita. Dal 2012, ci sono circa 850 documenti di ricerca sulla tecnologia quantistica fotonica in totale presso arXiV con un aumento di circa il 600% nell'ultimo decennio. L’aumento annuale più rapido si è registrato finora nel 2022 (~50% ridimensionato a fine anno). Questa crescita sta tenendo il passo con la crescita (anche circa il 600%) del resto del campo di ricerca sulla tecnologia quantistica durante il decennio.

Partecipazione alla conferenza. Anche la comunità è in aumento, se confrontiamo il peso geografico disomogeneo delle entità nordorientali 2019 (35) e la 2022  (45) Workshop sulla fotonica quantistica (PfQ).. Vale soprattutto la pena visitare il sito PfQ 2019: hanno registrato utili video di presentazione con le relative presentazioni.

Entità, alcune con brevetti. Monitorare la crescita dei brevetti quantistici fotonici è impegnativo, a causa della grossolana risoluzione delle parole chiave “fotoniche”. Tuttavia è possibile identificare alcuni assegnatari del brevetto. Ecco alcuni fornitori e gruppi nel campo del calcolo quantistico fotonico con brevetti disponibili:

Canada

USA

• California
• Michigan

Cina

Germania

Paesi Bassi

Danmark

Sfondo di Informatica Quantistica Fotonica

È estate e, per concludere con leggerezza, vorrei condividere la mia grafica preferita di questo campo. Questo è lo spazio di Hilbert colorato e infinitamente dimensionale, generato da Brianna Gopaul, che era stagista a Xanadu nel 2018. Nella sua utile Articolo medio sul quanto fotonico di base operazioni di cancello; ci regala questa ricca visuale. Adesso è lo schermo del mio desktop.

Amara Graps, Ph.D. è un fisico interdisciplinare, scienziato planetario, divulgatore scientifico ed educatore ed esperto di tutte le tecnologie quantistiche.