Postęp fotonicznych obliczeń kwantowych — ściśnięte światło

1 czerwca, dziesięcioczęściowy, ogłoszenie prasowe na Twitterze dla Fotoniczny komputer kwantowy Borealis Xanadu może być dotychczasowy szablon komunikatu prasowego do którego dążą wszystkie inne firmy kwantowe. W wątku prezes firmy podał:

1) link do wysokiej jakości artykułu naukowego (Madsen i in., 2022), który świadczy o szczególnym sukcesie;
2) jak ich postęp porównuje do podobnej technologii;
3) jak publiczność może używać to;
4) jaka jest zaliczka? sprowadza się do jednego lub dwóch zdań;
5) odnosi się bezpośrednio do kilku przeszłych problemów które wyłoniły się z porównania sprzętu kwantowego. W tym przypadku: „spoofing” i „prawdziwe problemy obliczeniowe”;
6) jakość wideo, co wyjaśnia zaliczkę.

Była to niezwykła informacja prasowa ze względu na swoją zwięzłą jakość z naciskiem na technologię. Zacznijmy od początku.

Fotoniczne obliczenia kwantowe: co to jest?

Fotoniczne urządzenia kwantowe działają na fundamentalnie innych zasadach splątania niż urządzenia kwantowe oparte na spinie. Fotoniczne komputery kwantowe Xanadu bazują na modelu zmiennej ciągłej (CV). Grafika na ryc. 1 od Zachary'ego Vernona na warsztatach PfQ 2019 wyjaśnia pierwszą zasadniczą różnicę. Zamiast dyskretnych stanów |1>, |0> mamy zmienne ciągłe pola światła, w których zakodowana jest informacja o amplitudzie i kwadraturze fazy.

Rysunek 1. Ryc. 1 od Zachary'ego Vernona jego prezentacja na Warsztatach Fotonika dla Kwantów 2019, wyjaśnia podstawową różnicę.

Wyzwaniem dla kubitów fotonicznych jest to, że są one krótkotrwałe. Jednakże, jeśli ktoś używa na podstawie pomiarów (MB) obliczenia kwantowe (QC) zamiast oparty na bramie obliczeń kwantowych, wtedy można naturalnie ominąć krótkotrwałe kubity fotoniczne, ponieważ obliczenia są wykonywane natychmiast. Kubit staje się konkretnym pomiarem w przestrzeni fazowej o określonym rozkładzie, który nazywa się ściśnięte światło or stan ściśnięty.  ściśnięte stany skorzystaj z kompromisu, aby „wycisnąć” lub zmniejszyć niepewność w pomiarach danej zmiennej, jednocześnie zwiększając niepewność pomiaru innej zmiennej, którą badacze mogą zignorować. Węzły kubitowe są zastępowane stanami ściśniętymi. Próbkowanie bozonów Gaussa (GBS) jest wtedy, gdy pobiera się próbki z rozkładu stanów ściśniętych.

Aby zrozumieć koncepcję obliczeń kwantowych opartych na zmiennych ciągłych, opartych na pomiarach, najlepszy opis, jaki znalazłem, znajduje się na YouTube, gdzie Ulrik Lund Andersen z Uniwersytetu Technicznego w Danii (DTU) w listopadzie 2021 r. , rozmowa online: Optyczne obliczenia kwantowe ze zmiennymi ciągłymi. Jego przemówienie obejmuje pomiary, wiersz po wierszu tablicy stanów ściśniętych, pokazując, w jaki sposób stany ściśnięte są splątane ze stanami wejściowymi, aby stać się stany skupione. Poprzez pomiary na stanach skupionych wykonuje się Bramy, na przykład: uniwersalny zestaw bramek opisany przez Lloyda i Braunsteina, 1999, w ich klasycznym fundamencie: Obliczenia kwantowe na zmiennych ciągłych. Andersen następnie przedstawia drugiego kluczowe elementy fotoniczny komputer kwantowy.

• dzielniki wiązki; są półodblaskowe lustra i sposób na splątanie dwóch różnych węzłów stanu ściśniętego. Wyjście z pętlą oznacza skorelowany „dwutrybowy stan ściśnięty”, znany również jako ciągły zmienny stan EPR (przejdź do wideo Andersena);
• wykrywanie homodyn: jest lokalnym oscylatorem, który zapewnia sposób wyboru kwadratury w przestrzeni fazowej do pomiaru i który wytwarza nowe stany wyjściowe;
• następnie, w kolejności po wykryciu homodyn, są wrażliwe detektory fotonów policzyć liczbę fotonów.

Rysunek 2. Ulrik Lund Andersen z Technical University of Denmark (DTU) w listopadzie 2021 wygłosił wizualną prelekcję online: Optyczne obliczenia kwantowe ze zmiennymi ciągłymi.

Systemy z połączenia światłowodowe mają dużą przewagę. Dla odległości > 1 cm energia potrzebna do przesłania bitu za pomocą fotonu przez światłowód jest mniejsza niż energia wymagana do naładowania typowej 50-omowej elektronicznej linii transmisyjnej pokrywającej tę samą odległość. (Nielsen i Chuang, 2010, s. 296). Mogą również wykorzystywać istniejące sieci światłowodowe do komunikacji.

Jak skalować fotoniczny komputer kwantowy

Xanadu nowe sukcesy technologiczne Pokaż nam (Madsen i in., 2022) jak można radykalnie ulepszyć i skalować fotoniczne obliczenia kwantowe:

• nieklasyczne generowanie światła: ściśnięte generatory światła na chipie;
• multipleksowanie w dziedzinie czasu: pętle, które umożliwiają dostęp do trybów bardziej ściśniętego światła, bez zwiększania fizycznego zakresu lub złożoności systemu;
• implementacja uniwersalnego zestawu bramek: programowalna (Bromley i in., 2019);
• szybkie przełączanie elektrooptyczne: z interferometru stan Gaussa jest wysyłany do binarnego drzewa przełączników od 1 do 16 (demux), które częściowo demultipleksuje wyjście przed odczytem przez PNR;
• Plus, ulepszenie PNR, które ma docelowa temperatura pokojowa z uwagi:
  • szybka technologia wykrywania liczby fotonów (PNR): macierz detektorów PNR opartych na nadprzewodzących czujnikach krawędzi przejścia (TES) o skuteczności wykrywania 95% (Arrazola i in., 2021).

Profesor Anderson ilustruje kluczową innowację: multipleksowanie czasu z animacja krok po kroku, dwuwymiarowej generacji klastrów, wykorzystującej ściśnięte światło, z wykorzystaniem pętli w światłowodzie, która jest opóźniona o dokładnie jeden cykl zegara. Ścieżka światła jest następnie synchronizowana między dzielnikami wiązki. Jeśli dodasz więcej pętli, będzie więcej splątania i mniej niezbędnych dzielników wiązki. Prowadzi to do mojej heurystyki fotonicznego kwantowego skalowania komputerowego: „Im więcej pętli multipleksowania, tym mniej czasu potrzeba na skalowanie”. Rysunek 3 ilustruje tę samą koncepcję z filmu prasowego Xanadu.

Rysunek 3. Koncepcja multipleksowania czasu w celu zwiększenia splątania, zmniejszenia liczby dzielników wiązki i wsparcia lepszej skalowalności. Frame-chwyt z Film z komunikatem prasowym Xanadu.

Teraz możemy intuicyjnie zrozumieć skalowalność, gdy widzimy konfigurację laboratoryjną. Andersena identyfikuje składniki które są i nie są skalowalne, fotonicznego komputera kwantowego jego własnej grupy DTU, wykorzystującego architekturę, opublikowaną przez Larsen i in., 2021.

Konkurs USTC

Prof. Andersen identyfikuje również, w Q & A jego prezentacji, dlaczego grupa Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin (USTC): Jiuzhang 2.0, nie można skalować. Grupa USTC wykorzystuje wolne przestrzenie, ściśnięte źródła światła do swoich 113 fotonicznych kubitów, które mają wymiary: 5x5x5cm, z odpowiednimi rozdzielaczami wiązki do zaplątania. Do obliczeń odpornych na awarie potrzeba około miliona stanów ściśniętego światła. Dlatego, chociaż jest to imponujący wysiłek kwantowej supremacji, ta architektura sprawiłaby, że system byłby zbyt duży.

Niektóre mapy drogowe dla fotonicznych komputerów kwantowych

Oprócz Larsen i in., 2021, powyżej, te mapy drogowe dla fotonicznych obliczeń kwantowych są dobrze cytowane w społeczności:

Rosnący dostawcy i grupy fotonicznych komputerów kwantowych

Badania. Międzynarodowa społeczność fotonicznych komputerów kwantowych wraz z przemysłem rośnie. Od 2012 roku w arXiV pojawiło się około 850 artykułów naukowych poświęconych fotonicznej technologii kwantowej, z ~600% wzrostem w ciągu ostatniej dekady. Najszybszy roczny wzrost odnotowano jak dotąd w 2022 roku (~50% w przeliczeniu na koniec roku). Ten wzrost nadąża za wzrostem (również ~600%) pozostałej dziedziny badań nad technologiami kwantowymi w ciągu dekady.

Udział w konferencji. Społeczność również się powiększa, jeśli porównamy nierówną, geograficznie północno-wschodnią wagę podmiotów z 2019 (35) i 2022  (45) Warsztaty Fotonika dla Quantum (PfQ). Szczególnie warto przejść na stronę PfQ 2019: nagrali pomocne filmy prezentacyjne z odpowiednimi prezentacjami.

Podmioty, niektóre z patentami. Śledzenie wzrostu liczby patentów na fotoniczne patenty kwantowe jest trudne ze względu na grubą, „fotoniczną” rozdzielczość słów kluczowych. Można jednak zidentyfikować niektórych cesjonariuszy patentu. Oto niektórzy dostawcy i grupy w dziedzinie fotonicznych obliczeń kwantowych z dostępnymi patentami:

Kanada

USA

• California
• Michigan

Chiny

Niemcy

Dania

Fotoniczne obliczenia kwantowe Tapeta

Jest lato i na zakończenie chciałbym podzielić się moimi ulubionymi grafikami z tej dziedziny. To kolorowa, nieskończenie wymiarowa przestrzeń Hilberta, wygenerowana przez Briannę Gopaul, która była stażystką w Xanadu w 2018 roku. Średni artykuł o kwantach fotonicznych operacje bramowe; traktuje nas tym bogatym wizualnie. To teraz mój ekran na pulpicie.

dr Amara Graps jest interdyscyplinarnym fizykiem, planetologiem, popularyzatorem nauki i edukatorem oraz ekspertem we wszystkich technologiach kwantowych.