By Amara Grapjes geplaatst 19 juli 2022
De 1 juni, tiendelige, persbericht op Twitter For Xanadu's Borealis fotonische kwantumcomputer zou kunnen de persbericht sjabloon waarnaar alle andere kwantumbedrijven streven. In de thread stelde de CEO van het bedrijf:
1) een link naar een wetenschappelijk artikel van hoge kwaliteit (Madsen et al, 2022) waaruit het bijzondere succes blijkt;
2) hoe hun vooruitgang vergelijkt naar vergelijkbare technologie;
3) hoe de het grote publiek kan gebruiken het;
4) wat is het voorschot? teruggebracht tot een of twee zinnen;
5) pakt direct een aantal eerdere problemen aan die zijn voortgekomen uit het vergelijken van kwantumhardware. In dit geval: 'spoofing' en 'echte rekenproblemen';
6) een kwaliteitsvideo, wat het voorschot verklaart.
Het was een opmerkelijk persbericht vanwege de beknopte kwaliteit met een focus op de technologie. Laten we bij het begin beginnen.
Fotonische kwantumcomputers: wat is het?
Fotonische kwantumapparaten werken op fundamenteel andere verstrengelingsprincipes dan op spin gebaseerde kwantumapparaten. Xanadu's fotonische kwantumcomputers zijn gebaseerd op het continu variabele (CV) model. De afbeelding in Fig. 1 van Zachary Vernon op de PfQ 2019 Workshop verklaart het eerste fundamentele verschil. In plaats van discrete |1>, |0> toestanden hebben we continue variabelen van het lichtveld, waarin informatie over de amplitude en de fasekwadratuur is gecodeerd.
Figuur 1. Afb. 1 van Zachary Vernon zijn presentatie op de Photonics for Quantum Workshop 2019, verklaart het fundamentele verschil.
De uitdaging voor fotonische qubits is dat ze van korte duur zijn. Als men echter gebruik maakt van op meting gebaseerd (MB) quantum computing (QC) in plaats van op poorten gebaseerd quantum computing, dan kan men op natuurlijke wijze kortlevende fotonische qubits omzeilen, omdat de berekeningen onmiddellijk worden uitgevoerd. De qubit wordt een bepaalde meting in de faseruimte van een bepaalde verdeling, die wordt genoemd licht geperst or samengedrukte staat. Samengedrukte staten profiteren van de afweging om de onzekerheid in de metingen van een bepaalde variabele te "knijpen" of te verminderen, terwijl de onzekerheid in de meting van een andere variabele die de onderzoekers kunnen negeren, wordt vergroot. De qubit-knooppunten worden vervangen door samengedrukte toestanden. Gaussiaans boson bemonstering (GBS) is wanneer men steekproeven trekt uit de verdeling van de geperste toestanden.
Om het concept van continu-variabele, op metingen gebaseerde kwantumcomputing te begrijpen, is de beste beschrijving die ik heb gevonden op YouTube, waar Ulrik Lund Andersen van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), in november 2021, een visueel georiënteerde , online gesprek: Optische kwantumcomputing met continue variabelen. Zijn lezing doorloopt de metingen, regel voor regel van de reeks van samengedrukte toestanden door te laten zien hoe de samengedrukte toestanden verstrengeld zijn met de invoertoestanden, om te worden geclusterde staten. Door middel van metingen op de geclusterde toestanden, voert men poorten, bijvoorbeeld: de universele poortset zoals beschreven door Lloyd en Braunstein, 1999, in hun klassieke fundering: Kwantumberekening over continue variabelen. Andersen introduceert dan de ander belangrijkste onderdelen van de fotonische kwantumcomputer.
- bundelsplitsers; zijn semi-reflecterende spiegels en de manier om twee verschillende samengedrukte toestandsknooppunten te verstrengelen. De uitvoer met de lus geeft de gecorreleerde "twee-mode geperste toestand" aan, ook wel bekend als continu variabele EPR-status (spring naar de video van Andersen);
- homodyne detectie: is een lokale oscillator die een manier biedt om de kwadratuur in de faseruimte te kiezen om te meten en die nieuwe uitgangstoestanden produceert;
- dan, in de volgorde na de homodyne-detectie, zijn gevoelig foton detectoren om het aantal fotonen te tellen.
Figuur 2. Ulrik Lund Andersen van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) hield in november 2021 een visueel georiënteerde, online lezing: Optische kwantumcomputing met continue variabelen.
Systemen met glasvezelverbindingen een groot voordeel hebben. Voor afstanden > 1 cm is de energie die nodig is om een beetje te verzenden met een foton over een vezel kleiner dan de energie die nodig is om een typische elektronische transmissielijn van 50 ohm op te laden die dezelfde afstand aflegt. (Nielsen & Chuang, 2010, pag. 296). Ze kunnen ook vooruitgaan op bestaande glasvezelnetwerken voor communicatie.
Hoe een fotonische kwantumcomputer te schalen?
Xanadu's nieuwe technologische successen laat ons zien (Madsen et al, 2022) hoe fotonische kwantumcomputing drastisch kan worden verbeterd en geschaald:
- niet-klassieke lichtgeneratie: geperste lichtgeneratoren op een chip;
- tijddomein multiplexen: lussen, die toegang geven tot meer geperste lichtmodi, zonder de fysieke omvang of complexiteit van het systeem te vergroten;
- implementatie universele poortset: programmeerbaar (Bromley et al, 2019);
- snel elektro-optisch schakelen: vanaf de interferometer wordt de Gauss-status verzonden naar een 1-naar-16 binaire schakelboom (demux), die de uitvoer gedeeltelijk de-multiplext voordat deze door PNR's wordt uitgelezen;
- Plus, een PNR-verbetering, die een kamertemperatuur doel in zicht:
- high-speed, foton-number-resolving (PNR) detectietechnologie: een reeks fotongetal-oplossende (PNR)-detectoren op basis van supergeleidende overgangsrandsensoren (TES) met een detectie-efficiëntie van 95% (Arrazola et al., 2021).
Professor Anderson illustreert een belangrijke innovatie: tijd multiplexen met een stap-through animatie, van een 2D, geperst licht, clustergeneratie, met behulp van een lus in de optische vezel die wordt vertraagd met precies één klokcyclus. Het lichtpad wordt vervolgens gesynchroniseerd tussen bundelsplitsers. Als u meer lussen toevoegt, is er meer verstrengeling en zijn er minder bundelsplitsers nodig. Dit leidt tot mijn fotonische kwantumcomputer-schalingsheuristiek: "Hoe meer tijd om loops te multiplexen, hoe minder tijd nodig is om te schalen." Afbeelding 3 illustreert hetzelfde concept uit de Xanadu-persberichtvideo.
Figuur 3. Time multiplexing-concept om de verstrengeling te vergroten, het aantal bundelsplitsers te verminderen en een betere schaalbaarheid te ondersteunen. Frame-grab van de Xanadu persbericht video.
Nu kunnen we intuïtief de schaalbaarheid begrijpen wanneer we een laboratoriumopstelling zien. Andersen identificeert de componenten die wel en niet schaalbaar zijn van de fotonische kwantumcomputer van zijn eigen DTU-groep, met behulp van de architectuur, gepubliceerd door Larsen et al, 2021.
USTC-competitie
Prof. Andersen identificeert ook, in de Q & A van zijn presentatie, waarom de groep van de University of Science and Technology of China (USTC): Jiuzhang 2.0, kan niet schalen. De USTC-groep gebruikt bronnen met vrije ruimte en geperst licht voor hun 113 fotonische qubits, welke zijn: 5x5x5cm, met bijbehorende bundelsplitsers voor verstrengeling. Voor fouttolerant computergebruik heeft men ongeveer een miljoen toestanden nodig. Daarom, hoewel dit een indrukwekkende poging van kwantumsuprematie is, zou deze architectuur het systeem onbetaalbaar groot maken.
Enkele stappenplannen voor fotonische kwantumcomputers
Naast Larsen et al, 2021, hierboven, deze Roadmaps voor de Photonic Quantum Computing wordt goed verwezen in de gemeenschap:
Groeiende leveranciers en groepen van fotonische kwantumcomputers
Research. De internationale fotonische quantum computing-gemeenschap met de industrie groeit. Sinds 2012 zijn er ongeveer 850 onderzoekspapers over fotonische kwantumtechnologie bij arXiV, met een toename van ~600% in de afgelopen tien jaar. De snelste jaarlijkse stijging is tot nu toe dit jaar in 2022 (~50% geschaald tot het einde van het jaar). Deze groei houdt gelijke tred met de groei (ook ~600%) van de rest van het onderzoeksveld op het gebied van kwantumtechnologie gedurende het decennium.
Conferentie deelname. De gemeenschap neemt ook toe, als we het ongelijke, geografische noordoostelijke gewicht van de entiteiten uit de 2019 (35) en de 2022 (45) Fotonica voor Quantum (PfQ) Workshop. Het is vooral de moeite waard om naar de PfQ-site van 2019 te springen: ze hebben handige presentatievideo's opgenomen met bijbehorende presentaties.
Entiteiten, sommige met patenten. Het volgen van de patentengroei van fotonische kwantumpatenten is een uitdaging, vanwege de grove 'fotonische' trefwoordresolutie. Sommige octrooihouders kunnen echter worden geïdentificeerd. Hier zijn enkele leveranciers en groepen op het gebied van fotonische kwantumcomputers met beschikbare patenten:
Canada
USA
- Californië
- Michigan
China
Duitsland
Nederland
Denemarken
Fotonische Quantum Computing-achtergrond
Het is zomer en om luchtig af te sluiten, wil ik graag mijn favoriete afbeeldingen op dit gebied met u delen. Dit is de kleurrijke, oneindig-dimensionale Hilbert-ruimte, gegenereerd door Brianna Gopaul, die in 2018 stagiaire was bij Xanadu. In haar behulpzame Middelgroot artikel over het fundamentele fotonische kwantum poort operaties; ze trakteert ons op dit rijke beeld. Het is nu mijn bureaubladscherm.
Amara Graps, Ph.D. is een interdisciplinaire natuurkundige, planetaire wetenschapper, wetenschapscommunicator en opvoeder en expert op het gebied van alle kwantumtechnologieën.
