By Amara Graps postado em 19 de julho de 2022
O dia 1º de junho, em dez partes, comunicado de imprensa no Twitter para Computador quântico fotônico Borealis de Xanadu poderia ser que o modelo de comunicado de imprensa ao qual todas as outras empresas quânticas aspiram. No tópico, o CEO da empresa forneceu:
1) um link para um artigo científico de alta qualidade (Madsen et al, 2022) o que demonstra o sucesso particular;
2) como seu avanço compara a tecnologia semelhante;
3) como o o público em geral pode usar isto;
4) qual é o adiantamento resumido em uma ou duas frases;
5) aborda diretamente alguns problemas anteriores que surgiram da comparação de hardware quântico. Neste caso: ‘spoofing’ e ‘problemas computacionais reais’;
6) um vídeo de qualidade, o que explica o avanço.
Foi um comunicado de imprensa notável pela sua qualidade sucinta com foco na tecnologia. Vamos começar no início.
Computação Quântica Fotônica: O que é?
Os dispositivos quânticos fotônicos operam com princípios de emaranhamento fundamentalmente diferentes dos dispositivos quânticos baseados em spin. Os computadores quânticos fotônicos de Xanadu são baseados no modelo de variável contínua (CV). O gráfico da Figura 1 de Zachary Vernon no Workshop PfQ 2019 explica a primeira diferença fundamental. Em vez de estados discretos |1>, |0>, temos variáveis contínuas do campo de luz, onde são codificadas informações sobre a amplitude e a quadratura da fase.
Figura 1. Figura 1 de Zachary Vernon sua apresentação no Workshop Photonics for Quantum 2019, explica a diferença fundamental.
O desafio dos qubits fotônicos é que eles têm vida curta. No entanto, se alguém usar baseado em medição (MB) computação quântica (QC) em vez de baseado em portão computação quântica, então é possível contornar naturalmente os qubits fotônicos de curta duração, porque os cálculos são realizados imediatamente. O qubit se torna uma medida particular no espaço de fase de uma distribuição particular, que é chamada luz espremida or estado espremido. Estados espremidos aproveitar a compensação para “espremer” ou reduzir a incerteza nas medições de uma determinada variável, enquanto aumenta a incerteza na medição de outra variável que os pesquisadores podem ignorar. Os nós qubit são substituídos por estados comprimidos. Amostragem de bósons gaussianos (GBS) é quando se extrai amostras da distribuição dos estados comprimidos.
Para compreender o conceito de computação quântica de variável contínua baseada em medição, a melhor descrição que encontrei está no YouTube, onde Ulrik Lund Andersen da Universidade Técnica da Dinamarca (DTU), em novembro de 2021, deu uma palestra visualmente orientada , conversa on-line: Computação quântica óptica com variáveis contínuas. Sua palestra percorre as medições, linha por linha, da matriz de estados comprimidos, mostrando como os estados comprimidos estão emaranhados com os estados de entrada, para se tornarem estados agrupados. Através de medições nos estados agrupados, executa-se portões, por exemplo: o conjunto de portão universal descrito por Lloyd e Braunstein, 1999, em sua fundação clássica: Computação quântica sobre variáveis contínuas. Andersen então apresenta o outro principais componentes do computador quântico fotônico.
- divisores de feixe; são espelhos semi-reflexivos e a maneira de emaranhar dois nós de estado comprimidos diferentes. A saída com o loop significa o “estado comprimido de dois modos” correlacionado, também conhecido como estado EPR variável contínua (pule para o vídeo de Andersen);
- detecção homódina: é um oscilador local que fornece uma forma de escolher a quadratura no espaço de fase a ser medida e que produz novos estados de saída;
- então, na sequência após a detecção homódina, são sensíveis detectores de fótons para contar o número de fótons.
Figura 2. Ulrik Lund Andersen, da Universidade Técnica da Dinamarca (DTU), em novembro de 2021, deu uma palestra online com orientação visual: Computação quântica óptica com variáveis contínuas.
Sistemas com conexões de fibra óptica tem uma grande vantagem. Para distâncias > 1 cm, a energia necessária para transmitir um bit usando um fóton sobre uma fibra é menor que a energia necessária para carregar uma linha de transmissão eletrônica típica de 50 ohms cobrindo a mesma distância. (Nielsen & Chuang, 2010, pág. 296). Eles também podem aproveitar as redes de fibra óptica existentes para comunicação.
Como dimensionar um computador quântico fotônico
do xanadu novos sucessos tecnológicos Mostre-nos (Madsen et al, 2022) como a computação quântica fotônica pode ser dramaticamente melhorada e dimensionada:
- geração de luz não clássica: geradores de luz comprimida em um chip;
- multiplexação no domínio do tempo: loops, que permitem acesso a modos de luz mais espremidos, sem aumentar a extensão física ou complexidade do sistema;
- implementação do conjunto de portas universais: programável (Bromley e outros, 2019);
- comutação eletro-óptica rápida: do interferômetro, o estado gaussiano é enviado para uma árvore de comutação binária de 1 a 16 (demux), que desmultiplexa parcialmente a saída antes da leitura pelos PNRs;
- Além disso, uma melhoria no PNR, que tem um meta de temperatura ambiente em vista:
- tecnologia de detecção de resolução de número de fótons (PNR) de alta velocidade: uma matriz de detectores de resolução de número de fótons (PNR) baseados em sensores supercondutores de borda de transição (TES) com eficiência de detecção de 95% (Arrazola et al., 2021).
O professor Anderson ilustra uma inovação importante: multiplexação de tempo com uma animação passo a passo, de uma geração de cluster 2D de luz comprimida, usando um loop na fibra óptica que é atrasado em exatamente um ciclo de clock. O caminho da luz é então sincronizado entre os divisores de feixe. Se você adicionar mais loops, haverá mais emaranhamento e menos divisores de feixe necessários. Isso leva à minha heurística de dimensionamento de computador quântico fotônico: “Quanto mais loops de multiplexação de tempo, menos tempo será necessário para escalar.” A Figura 3 ilustra o mesmo conceito do vídeo do comunicado de imprensa de Xanadu.
Figura 3. Conceito de multiplexação de tempo para aumentar o emaranhamento, reduzir o número de divisores de feixe e oferecer suporte a melhor escalabilidade. Captura de quadro do Vídeo do comunicado de imprensa de Xanadu.
Agora podemos compreender intuitivamente a escalabilidade, quando vemos uma configuração de laboratório. Andersen identifica os componentes que são, e não são, escaláveis, do computador quântico fotônico de seu próprio grupo DTU, usando a arquitetura publicada por Larsen et al, 2021.
Competição USTC
O Prof. Andersen também identifica, no Dúvidas de sua apresentação, por que o grupo da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC): Jiuzhang 2.0, não é possível escalar. O grupo USTC está usando fontes de espaço livre e luz comprimida para seus 113 qubits fotônicos, que são: 5x5x5cm, com divisores de feixe correspondentes para emaranhamento. Para computação tolerante a falhas, é necessário cerca de um milhão de estados leves comprimidos. Portanto, embora este seja um esforço impressionante de supremacia quântica, esta arquitetura tornaria o sistema proibitivamente grande.
Alguns roteiros de computadores quânticos fotônicos
Além de Larsen et al, 2021, acima, estes Roteiros para Computação Quântica Fotônica são bem referenciados na comunidade:
Crescentes fornecedores e grupos de computadores quânticos fotônicos
Pesquisa. A comunidade internacional de computação quântica fotônica com a indústria está crescendo. Desde 2012, há aproximadamente 850 artigos de pesquisa em tecnologia quântica fotônica no arXiV, com um aumento de aproximadamente 600% na última década. O aumento anual mais rápido ocorreu até agora neste ano de 2022 (~50% até o final do ano). Este crescimento está acompanhando o crescimento (também de aproximadamente 600%) do restante do campo de pesquisa em tecnologia quântica durante a década.
Participação em Conferência. A comunidade também está aumentando, se compararmos o peso desigual e geográfico nordestino das entidades do 2019 (35) e o 2022 (45) Workshop de Fotônica para Quântica (PfQ). Vale especialmente a pena acessar o site do PfQ 2019: eles gravaram vídeos de apresentação úteis com apresentações correspondentes.
Entidades, algumas com patentes. Acompanhar o crescimento das patentes quânticas fotônicas é um desafio, devido à resolução grosseira da palavra-chave “fotônica”. No entanto, alguns Cessionários de Patentes podem ser identificados. Aqui estão alguns fornecedores e grupos no campo da computação quântica fotônica com patentes disponíveis:
Localização: Canadá
Estados Unidos
- Califórnia
- Michigan
China
Alemanha
Holanda
Dinamarca
Papel de Parede de Computação Quântica Fotônica
É verão e, para terminar com leveza, gostaria de compartilhar meus gráficos favoritos nesta área. Este é o espaço Hilbert colorido e de dimensão infinita, gerado por Brianna Gopaul, que estagiou em Xanadu em 2018. Em seu útil Artigo médio sobre o quantum fotônico básico operações de portão; ela nos presenteia com esse visual rico. É a tela da minha área de trabalho agora.
Amara Graps, Ph.D. é um físico interdisciplinar, cientista planetário, comunicador e educador científico e especialista em todas as tecnologias quânticas.
