מחשוב קוונטי פוטוני מתקדם אור סחוט

ה-1 ביוני, עשרה חלקים, הודעת עיתונאים בטוויטר ל מחשב קוונטי פוטוני Borealis של Xanadu יכול להיות מה היא תבנית הודעה לעיתונות אליו שואפות כל החברות הקוונטיות האחרות. בשרשור אמר מנכ"ל החברה:

1) א קישור למאמר מדעי באיכות גבוהה (Madsen et al, 2022) אשר מדגים את ההצלחה המסוימת;
2) איך התקדמותם משווה לטכנולוגיה דומה;
3) איך הציבור הרחב יכול להשתמש זה;
4) מה המקדמה מתמצה למשפט אחד או שניים;
5) מתייחס ישירות לכמה בעיות מהעבר שצמחו מהשוואת חומרה קוונטית. במקרה זה: 'זיוף' ו'בעיות חישוביות אמיתיות';
6) א וידאו באיכות, מה שמסביר את ההקדמה.

זו הייתה הודעה לעיתונות יוצאת דופן בזכות האיכות התמציתית שלה עם התמקדות בטכנולוגיה. נתחיל בהתחלה.

מחשוב קוונטי פוטוני: מה זה?

התקנים קוונטיים פוטוניים פועלים על פי עקרונות הסתבכות שונים מהותית מאשר התקנים קוונטיים מבוססי ספין. המחשבים הקוונטים הפוטוניים של Xanadu מבוססים על מודל המשתנים המתמשכים (CV). הגרפיקה באיור 1 מ-Zachary Vernon בסדנת PfQ 2019 מסבירה את ההבדל היסודי הראשון. במקום מצבים |1>, |0> בדידים, יש לנו משתנים רציפים של שדה האור, שבהם מקודד מידע על המשרעת וניצב הפאזה.

איור 1. איור 1 מ-Zachary Vernon המצגת שלו בסדנת Photonics for Quantum 2019, מסביר את ההבדל המהותי.

האתגר עבור קיוביטים פוטוניים הוא שהם קצרי מועד. עם זאת, אם אחד משתמש מבוסס מדידה (MB) מחשוב קוונטי (QC) במקום מבוסס שער מחשוב קוונטי, אז אפשר לעקוף קיוביטים פוטוניים קצרי מועד באופן טבעי, מכיוון שהחישובים מבוצעים באופן מיידי. הקיוביט הופך למדידה מסוימת במרחב פאזה של התפלגות מסוימת, הנקראת אור סחוט or מצב סחוט.  מדינות סחוטות לנצל את הפשרה כדי "לסחוט" או להפחית את אי הוודאות במדידות של משתנה נתון, תוך הגדלת אי הוודאות במדידה של משתנה אחר שהחוקרים יכולים להתעלם ממנו. צמתי הקיוביט מוחלפים במצבים סחוטים. דגימת בוזון גאוס (GBS) הוא כאשר שואבים דגימות מהתפלגות המצבים הסחוטים.

כדי להבין את הרעיון של מחשוב קוונטי מבוסס מדידה, התיאור הטוב ביותר שמצאתי הוא ב-YouTube, שם אולריק לונד אנדרסן מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU), בנובמבר 2021, נתן אוריינטציה ויזואלית. , שיחה מקוונת: מחשוב קוונטי אופטי עם משתנים רציפים. ההרצאה שלו עוברת דרך המדידות, שורה אחר שורה של מערך המצבים הסחוטים על ידי מראה כיצד המצבים הסחוטים מסתבכים למצבי הקלט, כדי להפוך מדינות מקובצות. באמצעות מדידות על המצבים המקובצים, אחד מבצע שעריםלדוגמה: השער האוניברסלי כפי שתואר על ידי לויד ובראונשטיין, 1999, בבסיסם הקלאסי: חישוב קוונטי על פני משתנים רציפים. לאחר מכן אנדרסן מציג את האחר מרכיבי המפתח של מחשב קוונטי פוטוני.

• מפצלי קרן; הן מראות חצי רפלקטיביות והדרך לסבך שני צמתי מצב סחוט שונים. הפלט עם הלולאה מסמל את המתאם "מצב סחוט שני מצבים" הידוע גם בשם מצב EPR משתנה מתמשך (קפוץ לסרטון של אנדרסן);
• זיהוי הומודין: הוא מתנד מקומי המספק דרך לבחור את הריבוע במרחב הפאזה למדוד ואשר מייצר מצבי פלט חדשים;
• לאחר מכן, ברצף שלאחר זיהוי ההומודיין, הם רגישים גלאי פוטון לספור את מספר הפוטונים.

איור 2. אולריק לונד אנדרסן מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU), בנובמבר 2021, נשא הרצאה מקוונת בעלת אוריינטציה ויזואלית: מחשוב קוונטי אופטי עם משתנים רציפים.

מערכות עם חיבורי סיבים אופטיים יש יתרון גדול. למרחקים מעל 1 ס"מ, האנרגיה הדרושה לשידור מעט באמצעות פוטון על גבי סיב קטנה מהאנרגיה הדרושה לטעינת קו תמסורת אלקטרוני טיפוסי של 50 אוהם המכסה את אותו מרחק. (נילסן וצ'ואנג, 2010, עמ'. 296). הם יכולים גם להתקדם עם רשתות סיבים אופטיים קיימות לתקשורת.

כיצד להתאים מחשב קוונטי פוטוני

של זנאדו הצלחות טכנולוגיות חדשות הראה לנו (Madsen et al, 2022) כיצד ניתן לשפר ולהגדיל באופן דרמטי את המחשוב הקוונטי הפוטוני:

• ייצור אור לא קלאסי: מחוללי אור סחוטים על שבב;
• ריבוי תחום זמן: לולאות, המאפשרות גישה למצבי אור סחוט יותר, מבלי להגדיל את ההיקף הפיזי או המורכבות של המערכת;
• יישום ערכת שער אוניברסלי: ניתן לתכנות (Bromley et al, 2019);
• מיתוג אלקטרו-אופטי מהיר: מהאינטרפרומטר, המצב גאוסי נשלח לעץ מתגים בינארי 1-16 (demux), אשר מבטל חלקית את הפלט לפני הקריאה על ידי PNRs;
• בנוסף, שיפור PNR, שיש לו א יעד טמפרטורת החדר בנוף:
  • טכנולוגיית זיהוי מהיר של מספרי פוטון (PNR).: מערך של גלאי זיהוי מספרי פוטון (PNR) המבוססים על חיישני-על מוליכים-על-קצה מעבר (TES) עם יעילות זיהוי של 95% (Arrazola et al., 2021).

פרופסור אנדרסון ממחיש חידוש מרכזי: ריבוי זמן עם אנימציה מדרגת, של דור 2D, סחוט אור, מקבץ, באמצעות לולאה בסיב האופטי שמתעכבת בדיוק במחזור שעון אחד. נתיב האור מסונכרן לאחר מכן בין מפצלי אלומה. אם אתה מוסיף יותר לולאות, יש יותר הסתבכות, ופחות מפצלי אלומה נחוצים. זה מוביל להיוריסטיקת קנה המידה של המחשב הקוונטי הפוטוני שלי: "ככל שיש יותר זמן לריבוי לולאות, כך דרוש פחות זמן לקנה מידה." איור 3 ממחיש את אותו רעיון מסרטון ההודעה לעיתונות של Xanadu.

איור 3. קונספט ריבוי זמן להגברת ההסתבכות, הפחתת מספר מפצלי האלומות ותמיכה במדרוג טוב יותר. תפיסת מסגרת מה- סרטון הודעה לעיתונות של Xanadu.

כעת אנו יכולים להבין באופן אינטואיטיבי את המדרגיות, כאשר אנו רואים מערך מעבדה. אנדרסן מזהה את הרכיבים שהם, ואינם ניתנים להרחבה, מהמחשב הקוונטי הפוטוני של קבוצת DTU שלו, באמצעות הארכיטקטורה, שפורסמה על ידי Larsen et al, 2021.

תחרות USTC

פרופ' אנדרסן גם מזהה, ב שאלות ותשובות של המצגת שלו, מדוע הקבוצה של אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין (USTC): Jiuzhang 2.0, לא יכול לשנות קנה מידה. קבוצת USTC משתמשת במקורות שטח פנוי, אור סחוט עבורם 113 קיוביטים פוטוניים, שהם: 5x5x5 ס"מ, עם מפצלי אלומה מתאימים להסתבכות. עבור מחשוב סובלני תקלות, צריך ~ מיליון מצבי אור סחוט. לכן, למרות שזהו מאמץ מרשים של עליונות קוונטית, ארכיטקטורה זו תהפוך את המערכת לגדולה בצורה בלתי רגילה.

כמה מפות דרכים של מחשב קוונטי פוטוני

נוסף על Larsen et al, 2021, לעיל, מפות הדרכים הללו עבור המחשוב הקוונטי הפוטוני זוכות להתייחסות טובה בקהילה:

גידול ספקים וקבוצות מחשבים קוונטיים פוטוניים

מחקר. קהילת המחשוב הקוונטי הפוטוני הבינלאומית עם התעשייה הולכת וגדלה. מאז 2012, ישנם כ-850 מאמרי מחקר בטכנולוגיה קוונטית פוטונית ב-arXiV עם עלייה של ~600% בעשור האחרון. העלייה השנתית המהירה ביותר היא עד כה בשנת 2022 (~50% בקנה מידה עד סוף השנה). צמיחה זו עומדת בקצב הצמיחה (גם ~600%) של שאר תחום המחקר של הטכנולוגיה הקוונטית במהלך העשור.

השתתפות בכנס. גם הקהילה גדלה, אם נשווה את המשקל הצפון-מזרחי הלא אחיד והגיאוגרפי של הישויות מה- 2019 (35) ואת 2022  (45) סדנת פוטוניקה לקוונטים (PfQ).. כדאי במיוחד לקפוץ לאתר PfQ 2019: הם הקליטו סרטוני מצגות מועילים עם מצגות מתאימות.

ישויות, חלקן עם פטנטים. מעקב אחר צמיחת הפטנטים של פטנטים קוונטיים פוטוניים הוא מאתגר, בשל רזולוציית מילת המפתח הגסה 'פוטונית'. עם זאת ניתן לזהות חלק מבעלי פטנטים. הנה כמה ספקים וקבוצות בתחום המחשוב הקוונטי הפוטוני עם פטנטים זמינים:

קנדה

ארה"ב

• קליפורניה
• מישיגן

סין

גרמניה

הולנד

דנמרק

טפט מחשוב קוונטי פוטוני

זה קיץ, ולסיום בקלילות, אני רוצה לשתף את הגרפיקה האהובה עלי מהתחום הזה. זהו חלל הילברט הצבעוני, אינסופי הממדים, שנוצר על ידי בריאנה גופאל, שהיתה מתמחה ב-Xanadu ב-2018. מאמר בינוני על הקוונטי הפוטוני הבסיסי פעולות שער; היא מפנקת אותנו בוויז'ואל העשיר הזה. זה מסך שולחן העבודה שלי עכשיו.

Amara Graps, Ph.D. הוא פיזיקאי בינתחומי, מדען פלנטרי, מתקשר מדעי ומחנך ומומחה בכל הטכנולוגיות הקוונטיות.