Fotonisk kvanteberegning fremmer klemt lys

1. juni, ti-del, pressemelding på Twitter forum Xanadus Borealis fotoniske kvantedatamaskin kan være de pressemeldingsmal som alle andre kvanteselskaper streber etter. I tråden ga selskapets administrerende direktør:

1) a lenke til en vitenskapelig artikkel av høy kvalitet (Madsen et al., 2022) som viser den spesielle suksessen;
2) hvordan deres fremmarsj sammen til lignende teknologi;
3) hvordan allmennheten kan bruke den;
4) hva er forskuddet kokt ned til en eller to setninger;
5) tar direkte opp et par tidligere problemer som har dukket opp ved å sammenligne kvantemaskinvare. I dette tilfellet: «spoofing» og «virkelige beregningsproblemer»;
6) a kvalitetsvideo, som forklarer fremskrittet.

Det var en bemerkelsesverdig pressemelding for sin kortfattede kvalitet med fokus på teknologien. La oss starte med begynnelsen.

Fotonisk kvanteberegning: Hva er det?

Fotoniske kvanteenheter opererer på fundamentalt forskjellige sammenfiltringsprinsipper enn spinnbaserte kvanteenheter. Xanadus fotoniske kvantedatamaskiner er basert på den kontinuerlige variable (CV) modellen. Grafikken i Fig. 1 fra Zachary Vernon på PfQ 2019 Workshop forklarer den første grunnleggende forskjellen. I stedet for diskrete |1>, |0> tilstander har vi kontinuerlige variabler av lysfeltet, hvor informasjon om amplituden og fasekvadraturen er kodet.

Figur 1. Fig. 1 fra Zachary Vernon presentasjonen hans på Photonics for Quantum Workshop 2019, forklarer den grunnleggende forskjellen.

Utfordringen for fotoniske qubits er at de er kortvarige. Imidlertid, hvis man bruker målebasert (MB) kvanteberegning (QC) i stedet for portbasert kvanteberegning, så kan man omgå kortlivede fotoniske qubits naturlig, fordi beregningene utføres umiddelbart. Qubiten blir en bestemt måling i faserommet til en bestemt fordeling, som kalles klemt lys or klemt tilstand.  Klemte stater dra nytte av avveiningen for å "klemme" eller redusere usikkerheten i målingene av en gitt variabel, mens du øker usikkerheten i målingen av en annen variabel forskerne kan ignorere. Qubit-nodene erstattes av klemte tilstander. Gaussisk boson prøvetaking (GBS) er når man trekker prøver fra fordelingen av de pressede tilstandene.

For å forstå konseptet med kontinuerlig-variabel, målebasert kvanteberegning, er den beste beskrivelsen jeg har funnet på YouTube, hvor Ulrik Lund Andersen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), i november 2021, ga en visuelt orientert , nettprat: Optisk kvanteberegning med kontinuerlige variabler. Foredraget hans går gjennom målingene, linje-for-linje av utvalget av klemte tilstander ved å vise hvordan de klemte tilstandene er viklet inn i inngangstilstandene, for å bli grupperte stater. Gjennom målinger på de grupperte tilstandene utfører man porter, for eksempel: det universelle portsettet som beskrevet av Lloyd og Braunstein, 1999, i deres klassiske fundament: Kvanteberegning over kontinuerlige variabler. Andersen introduserer så den andre nøkkelkomponenter i fotonisk kvantedatamaskin.

• stråledelere; er semi-reflekterende speil og måten å vikle sammen to forskjellige klemte tilstandsnoder. Utgangen med løkken angir den korrelerte "to-modus klemt tilstand" også kjent som kontinuerlig variabel EPJ-tilstand (hopp til Andersens video);
• homodyn deteksjon: er en lokal oscillator som gir en måte å velge kvadraturen i faserommet for å måle og som produserer nye utgangstilstander;
• deretter, i sekvensen etter homodyndeteksjonen, er sensitive fotondetektorer å telle antall fotoner.

Figur 2. Ulrik Lund Andersen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) holdt i november 2021 en visuelt orientert foredrag på nett: Optisk kvanteberegning med kontinuerlige variabler.

Systemer med optiske fiberforbindelser har en stor fordel. For avstander > 1 cm er energien som trengs for å overføre en bit ved hjelp av et foton over en fiber mindre enn energien som kreves for å lade en typisk 50 ohm elektronisk overføringslinje som dekker samme avstand. (Nielsen & Chuang, 2010, s. 296). De kan også ta forskudd på eksisterende optiske fibernettverk for kommunikasjon.

Hvordan skalere en fotonisk kvantedatamaskin

Xanadu sin nye teknologiske suksesser Vis oss (Madsen et al., 2022) hvordan fotonisk kvanteberegning kan forbedres og skaleres dramatisk:

• ikke-klassisk lysgenerering: klemte lysgeneratorer på en brikke;
• tidsdomene multipleksing: løkker, som gir tilgang til flere moduser med klemt lys, uten å øke den fysiske utstrekningen eller kompleksiteten til systemet;
• universal gate sett implementering: programmerbar (Bromley et al., 2019);
• rask elektro-optisk veksling: fra interferometeret sendes den gaussiske tilstanden til et 1-til-16 binært svitsjtre (demux), som delvis demultiplekser utgangen før avlesning av PNR-er;
• Pluss en PNR-forbedring, som har en romtemperaturmål i sikte:
  • høyhastighets, PNR-deteksjonsteknologi: en rekke fotonnummeroppløsningsdetektorer (PNR) basert på superledende overgangskantsensorer (TES) med 95 % deteksjonseffektivitet (Arrazola et al., 2021).

Professor Anderson illustrerer en nøkkelinnovasjon: tidsmultipleksing med en trinnvis animasjon, av en 2D, klemt-lys, klyngegenerering, ved bruk av en sløyfe i den optiske fiberen som er forsinket med nøyaktig én klokkesyklus. Lysbanen synkroniseres deretter mellom stråledelere. Hvis du legger til flere løkker, blir det mer sammenfiltring, og færre nødvendige stråledelere. Dette fører til min fotoniske kvantedatamaskin skaleringsheuristikk: "Jo mer tid multiplekser looper, jo mindre tid trengs for å skalere." Figur 3 illustrerer det samme konseptet fra Xanadu pressemeldingsvideo.

Figur 3. Tidsmultipleksingskonsept for å øke sammenfiltringen, redusere antall stråledelere og støtte bedre skalerbarhet. Rammegrep fra Xanadu pressemeldingsvideo.

Nå kan vi intuitivt forstå skalerbarheten når vi ser et laboratorieoppsett. Andersen identifiserer komponentene som er, og ikke er, skalerbare, av hans egen DTU-gruppes fotoniske kvantedatamaskin, ved bruk av arkitekturen, publisert av Larsen et al., 2021.

USTC-konkurranse

Prof. Andersen identifiserer også, i Q & A av presentasjonen hans, hvorfor University of Science and Technology of China (USTC) gruppe: Jiuzhang 2.0, kan ikke skalere. USTC-gruppen bruker ledig plass, klemt lys, kilder for sine 113 fotoniske qubits, som er: 5x5x5cm, med tilsvarende stråledelere for sammenfiltring. For feiltolerant databehandling trenger man ~en million tilstander med klemt lys. Derfor, selv om dette er en imponerende innsats for kvanteoverlegenhet, vil denne arkitekturen gjøre systemet uoverkommelig stort.

Noen fotoniske kvantedatamaskiners veikart

I tillegg til Larsen et al., 2021, ovenfor, er disse veikartene for Photonic Quantum Computing godt referert i fellesskapet:

Voksende leverandører og grupper av fotoniske kvantedatamaskiner

Forskning. Det internasjonale fotoniske kvanteberegningssamfunnet med industri vokser. Siden 2012 har arXiV totalt rundt 850 forskningsartikler innen fotonisk kvanteteknologi, med en økning på ~600 % det siste tiåret. Den raskeste årlige økningen er så langt i 2022-året (~50 % skalert til slutten av året). Denne veksten holder tritt med veksten (også ~600 %) av resten av det kvanteteknologiske forskningsfeltet i løpet av tiåret.

Konferansedeltakelse. Samfunnet øker også, hvis vi sammenligner den ujevne, geografiske nordøstlige vekten til enhetene fra 2019 (35) og 2022  (45) Fotonikk for Quantum (PfQ) Workshop. Det er spesielt verdt å hoppe til PfQ-nettstedet for 2019: de har spilt inn nyttige presentasjonsvideoer med tilhørende presentasjoner.

Entiteter, noen med patenter. Å spore patentveksten av fotoniske kvantepatenter er utfordrende, på grunn av den grove "fotoniske" søkeordoppløsningen. Noen patenthavere kan imidlertid identifiseres. Her er noen leverandører og grupper innen fotonisk kvantedatabehandling med tilgjengelige patenter:

Canada

USA

• California
• Michigan

Kina

Tyskland

Nederland

Danmark

Fotonisk Quantum Computing Bakgrunn

Det er sommer, og for å avslutte lett, vil jeg gjerne dele favorittgrafikken min fra dette feltet. Dette er det fargerike, uendelig dimensjonale Hilbert-rommet, generert av Brianna Gopaul, som var praktikant ved Xanadu i 2018. I sin hjelpsomme Middels artikkel om det grunnleggende fotoniske kvantemet portoperasjoner; hun unner oss dette rike visuelle. Det er skrivebordsskjermen min nå.

Amara Graps, Ph.D. er en tverrfaglig fysiker, planetforsker, vitenskapsformidler og pedagog og ekspert på alle kvanteteknologier.