Фотонные квантовые вычисления продвигают сжатый свет

1 июня, десятичастный, пресс-релиз в твиттере для Фотонный квантовый компьютер Xanadu Borealis может быть домен шаблон пресс-релиза к чему стремятся все остальные квантовые компании. В треде генеральный директор компании сообщил:

1) ссылка на качественную научную статью (Мэдсен и др., 2022 г.) который демонстрирует особый успех;
2) как их продвижение сравнивает к аналогичной технологии;
3) как широкая публика может использовать Это;
4) какой аванс сводится к одному-двум предложениям;
5) обращается непосредственно к нескольким прошлым проблемам которые возникли в результате сравнения квантового оборудования. В данном случае: «спуфинг» и «настоящие вычислительные проблемы»;
6) качественное видео, что объясняет опережение.

Это был замечательный пресс-релиз из-за его краткости и акцента на технологии. Начнем с самого начала.

Фотонные квантовые вычисления: что это такое?

Фотонные квантовые устройства работают на принципиально иных принципах запутывания, чем квантовые устройства на основе спина. Фотонные квантовые компьютеры Xanadu основаны на модели непрерывной переменной (CV). График на рис. 1 от Закари Вернона на семинаре PfQ 2019 объясняет первое фундаментальное отличие. Вместо дискретных состояний |1>, |0> мы имеем непрерывные переменные светового поля, в которых закодирована информация об амплитуде и фазовой квадратуре.

Рисунок 1. Рис. 1 от Закари Вернона его презентация на семинаре Photonics for Quantum Workshop 2019 г., объясняет принципиальную разницу.

Проблема фотонных кубитов в том, что они недолговечны. Однако, если использовать на основе измерений (МБ) квантовые вычисления (КК) вместо на основе ворот квантовых вычислений, то можно естественным образом обойти короткоживущие фотонные кубиты, потому что вычисления выполняются немедленно. Кубит становится частным измерением в фазовом пространстве определенного распределения, которое называется сжатый свет or сжатое состояние.  Сжатые состояния воспользоваться компромиссом, чтобы «сжать» или уменьшить неопределенность в измерениях данной переменной, увеличивая при этом неопределенность в измерении другой переменной, которую исследователи могут игнорировать. Узлы кубитов заменяются сжатыми состояниями. Выборка гауссовых бозонов (GBS) это когда кто-то берет образцы из распределения сжатых состояний.

Чтобы понять концепцию квантовых вычислений с непрерывной переменной, основанных на измерениях, лучшее описание, которое я нашел, находится на YouTube, где Ульрик Лунд Андерсен из Технического университета Дании (DTU) в ноябре 2021 г. , онлайн разговор: Оптические квантовые вычисления с непрерывными переменными. Его доклад шаг за шагом проходит через измерения массива сжатых состояний, показывая, как сжатые состояния запутываются с входными состояниями, чтобы стать кластерные состояния. Путем измерений сгруппированных состояний выполняется Ворота, например: набор универсальных ворот, описанный Ллойдом и Браунштейном в 1999 г. в их классическом фундаменте: Квантовые вычисления над непрерывными переменными. Затем Андерсен представляет другого ключевые компоненты фотонный квантовый компьютер.

• светоделители; являются полуотражающими зеркалами и способом запутать два разных узла сжатого состояния. Выход с петлей означает коррелированное «двухрежимное сжатое состояние», также известное как непрерывная переменная ЭПР-состояние (перейти к видео Андерсена);
• гомодинное обнаружение: гетеродин, который обеспечивает способ выбора квадратуры в фазовом пространстве для измерения и создает новые выходные состояния;
• то в последовательности после обнаружения гомодина чувствительны фотонные детекторы для подсчета количества фотонов.

Рисунок 2. Ульрик Лунд Андерсен из Датского технического университета (DTU) в ноябре 2021 года выступил с визуально ориентированным онлайн-выступлением: Оптические квантовые вычисления с непрерывными переменными.

Системы с оптоволоконные соединения имеют большое преимущество. Для расстояний > 1 см энергия, необходимая для передачи бита с использованием фотона по волокну, меньше, чем энергия, необходимая для зарядки типичной 50-омной электронной линии передачи, покрывающей такое же расстояние. (Нильсен и Чуанг, 2010, стр. 296). Они также могут опережать существующие оптоволоконные сети для связи.

Как масштабировать фотонный квантовый компьютер

Ксанаду новые технологические успехи показать нам (Мэдсен и др., 2022 г.) как можно значительно улучшить и масштабировать фотонные квантовые вычисления:

• неклассическая генерация света: втиснутые светогенераторы на микросхему;
• мультиплексирование во временной области: циклы, которые позволяют получить доступ к более сжатым режимам без увеличения физических размеров или сложности системы;
• реализация универсального набора вентилей: программируемый (Бромли и др., 2019 г.);
• быстрое электрооптическое переключение: из интерферометра гауссово состояние отправляется в двоичное дерево переключения от 1 до 16 (демультиплексор), которое частично демультиплексирует вывод перед считыванием PNR;
• Плюс улучшение PNR, которое цель комнатной температуры с учетом:
  • высокоскоростная технология обнаружения с разрешением числа фотонов (PNR): массив детекторов с разрешением числа фотонов (PNR) на основе сверхпроводящих датчиков переходного края (TES) с эффективностью обнаружения 95% (Арразола и др., 2021 г.).

Профессор Андерсон иллюстрирует ключевое новшество: мультиплексирование времени с пошаговая анимация, двухмерной генерации кластеров со сжатым светом с использованием петли в оптическом волокне, которая задерживается ровно на один тактовый цикл. Затем световой путь синхронизируется между светоделителями. Если вы добавите больше петель, будет больше запутанности и меньше необходимых светоделителей. Это приводит к моей эвристике масштабирования фотонного квантового компьютера: «Чем больше циклов временного мультиплексирования, тем меньше времени требуется для масштабирования». Рисунок 3 иллюстрирует ту же концепцию из видео пресс-релиза Xanadu.

Рисунок 3. Концепция временного мультиплексирования для увеличения запутанности, уменьшения количества светоделителей и поддержки лучшей масштабируемости. Захват кадра из Видео пресс-релиза Ксанаду.

Теперь мы можем интуитивно понимать масштабируемость, когда видим лабораторную установку. Андерсен идентифицирует компоненты которые масштабируются и не масштабируются фотонным квантовым компьютером его собственной группы DTU, использующим архитектуру, опубликованную Ларсен и др., 2021 г..

Конкурс УНТЦ

Проф. Андерсен также определяет в Вопросы и ответы его презентации, почему группа Университета науки и технологий Китая (USTC): Цзючжан 2.0, не может масштабироваться. Группа USTC использует источники свободного пространства, сжатого света для своих 113 фотонных кубитов, а именно: 5x5x5см, с соответствующими светоделителями для запутывания. Для отказоустойчивых вычислений требуется около миллиона состояний сжатого света. Таким образом, несмотря на то, что это впечатляющее достижение квантового превосходства, эта архитектура сделает систему чрезмерно большой.

Некоторые дорожные карты фотонных квантовых компьютеров

В дополнение к Ларсен и др., 2021 г., выше, эти дорожные карты для фотонных квантовых вычислений хорошо упоминаются в сообществе:

Растущие поставщики и группы фотонных квантовых компьютеров

Исследование. Международное сообщество фотонных квантовых вычислений с промышленностью растет. С 2012 года в arXiV опубликовано около 850 исследовательских работ по фотонным квантовым технологиям, при этом за последнее десятилетие их количество увеличилось примерно на 600%. Самый быстрый годовой прирост приходится на 2022 год (~50% в пересчете на конец года). Этот рост идет в ногу с ростом (также ~ 600%) остальной части области исследований квантовых технологий в течение десятилетия.

Участие в конференции. Сообщество тоже увеличивается, если мы сравним неравномерный географический северо-восточный вес сущностей из 2019 (35) и 2022  (45) Семинар по фотонике для квантовых вычислений (PfQ). Особенно стоит перейти на сайт PfQ 2019: они записали полезные видеоролики с соответствующими презентациями.

Организации, некоторые из которых имеют патенты. Отслеживание роста количества патентов на фотонные квантовые технологии является сложной задачей из-за грубого разрешения ключевых слов «фотонные». Однако некоторые патентообладатели могут быть идентифицированы. Вот некоторые поставщики и группы в области фотонных квантовых вычислений с доступными патентами:

Канада

США

• Калифорния
• Мичиган

Китай

Germany

Нидерланды

Дания

Фотонные квантовые вычисления Фоновые обои

На дворе лето, и в завершение хочу поделиться своей любимой графикой из этой области. Это красочное, бесконечномерное гильбертово пространство, созданное Брианной Гопол, стажировавшейся в Xanadu в 2018 году. Средняя статья об основном фотонном кванте операции с воротами; она угощает нас этим богатым изображением. Теперь это экран моего рабочего стола.

Амара Грэпс, доктор философии. является междисциплинарным физиком, планетологом, научным коммуникатором и педагогом, а также экспертом по всем квантовым технологиям.