Fotonsko kvantno računalništvo napreduje pri stisnjeni svetlobi

1. junij v desetih delih, obvestilo za javnost na Twitterju za Xanadujev fotonski kvantni računalnik Borealis lahko bi bilo o predlogo za sporočilo za javnost h kateremu stremijo vsa ostala kvantna podjetja. V temi je generalni direktor podjetja zagotovil:

1) do povezava do kakovostnega znanstvenega članka (Madsen et al, 2022), ki izkazuje poseben uspeh;
2) kako njihov napredek primerja na podobno tehnologijo;
3) kako lahko uporablja širša javnost to;
4) kaj je predujem strnjeno na enega ali dva stavka;
5) neposredno obravnava nekaj preteklih vprašanj ki so nastali pri primerjavi kvantne strojne opreme. V tem primeru: "prevara" in "resnične računske težave";
6) do kakovosten video, ki pojasnjuje predujem.

Bilo je izjemno sporočilo za javnost zaradi svoje jedrnate kakovosti s poudarkom na tehnologiji. Začnimo na začetku.

Fotonsko kvantno računalništvo: kaj je to?

Fotonske kvantne naprave delujejo na bistveno drugačnih principih zapletanja kot kvantne naprave, ki temeljijo na vrtenju. Xanadujevi fotonski kvantni računalniki temeljijo na modelu zveznih spremenljivk (CV). Grafika na sliki 1 Zacharyja Vernona na delavnici PfQ 2019 pojasnjuje prvo temeljno razliko. Namesto diskretnih |1>, |0> stanj imamo zvezne spremenljivke svetlobnega polja, kjer je kodirana informacija o amplitudi in fazni kvadraturi.

Slika 1. Slika 1 od Zacharyja Vernona svojo predstavitev na delavnici Photonics for Quantum 2019, pojasnjuje temeljno razliko.

Izziv za fotonske kubite je, da so kratkotrajni. Vendar, če nekdo uporablja na podlagi meritev (MB) kvantno računalništvo (QC) namesto na osnovi vrat kvantnega računalništva, potem lahko kratkotrajne fotonske kubite naravno zaobidemo, ker se izračuni izvedejo takoj. Kubit postane določena meritev v faznem prostoru določene porazdelitve, ki se imenuje stisnjena svetloba or stisnjeno stanje.  Stisnjena stanja izkoristite kompromis, da "stisnete" ali zmanjšate negotovost pri meritvah dane spremenljivke, hkrati pa povečate negotovost pri meritvi druge spremenljivke, ki jo raziskovalci lahko prezrejo. Vozlišča kubitov so nadomeščena s stisnjenimi stanji. Vzorčenje Gaussovih bozonov (GBS) je, ko vzamemo vzorce iz porazdelitve stisnjenih stanj.

Da bi razumel koncept kvantnega računalništva, ki temelji na neprekinjenih spremenljivkah, je najboljši opis, ki sem ga našel na YouTubu, kjer je Ulrik Lund Andersen s Tehnične univerze na Danskem (DTU) novembra 2021 podal vizualno usmerjeno , spletni pogovor: Optično kvantno računalništvo z zveznimi spremenljivkami. Njegov govor koraki skozi meritve, vrstico za vrstico niza stisnjenih stanj s prikazom, kako so stisnjena stanja zapletena z vhodnimi stanji, da postanejo gručasta stanja. Preko meritev na grozdnih stanjih se izvaja vrata, na primer: komplet univerzalnih vrat, kot sta ga opisala Lloyd in Braunstein, 1999, v svoji klasični osnovi: Kvantno računanje nad zveznimi spremenljivkami. Andersen nato predstavi drugega ključne komponente fotonski kvantni računalnik.

• cepilniki žarkov; so polodsevna zrcala in način za zapletanje dveh različnih vozlišč stisnjenega stanja. Izhod z zanko pomeni korelirano "stisnjeno stanje dveh načinov", znano tudi kot stalno spremenljivo stanje EPR (skoči na Andersenov video);
• homodinska detekcija: je lokalni oscilator, ki omogoča izbiro kvadrature v faznem prostoru za merjenje in ki proizvaja nova izhodna stanja;
• potem so v zaporedju po homodinski detekciji občutljivi detektorji fotonov za štetje števila fotonov.

Slika 2. Ulrik Lund Andersen s Tehnične univerze na Danskem (DTU) je imel novembra 2021 vizualno usmerjen spletni govor: Optično kvantno računalništvo z zveznimi spremenljivkami.

Sistemi z povezave z optičnimi vlakni imajo veliko prednost. Za razdalje > 1 cm je energija, potrebna za prenos bita z uporabo fotona preko vlakna, manjša od energije, potrebne za polnjenje običajnega 50 ohmskega elektronskega prenosnega voda, ki pokriva isto razdaljo. (Nielsen & Chuang, 2010, str. 296). Za komunikacijo lahko izkoristijo tudi obstoječa omrežja z optičnimi vlakni.

Kako povečati fotonski kvantni računalnik

Xanadujevo nove tehnološke uspehe pokaži nam (Madsen et al, 2022) kako je mogoče fotonsko kvantno računalništvo dramatično izboljšati in povečati:

• neklasično generiranje svetlobe: stisnjeni generatorji svetlobe na čipu;
• multipleksiranje v časovni domeni: zanke, ki omogočajo dostop do načinov bolj stisnjene svetlobe, brez povečanja fizičnega obsega ali kompleksnosti sistema;
• izvedba univerzalnega kompleta vrat: programabilna (Bromley et al, 2019);
• hitro elektro-optično preklapljanje: iz interferometra se Gaussovo stanje pošlje v 1-do-16 binarno preklopno drevo (demux), ki delno demultipleksira izhod pred odčitavanjem s PNR-ji;
• Plus, izboljšava PNR, ki ima a cilj sobne temperature v pogledu:
  • visokohitrostna tehnologija zaznavanja števila fotonov (PNR).: niz detektorjev, ki ločujejo število fotonov (PNR) in temeljijo na superprevodnih senzorjih prehodnega roba (TES) s 95-odstotno učinkovitostjo zaznavanja (Arrazola et al., 2021).

Profesor Anderson ponazarja ključno novost: časovno multipleksiranje z korak skozi animacijo2D, generiranje gruč s stisnjeno svetlobo, z uporabo zanke v optičnem vlaknu, ki je zakasnjena za natanko en takt. Svetlobna pot se nato sinhronizira med cepilniki žarkov. Če dodate več zank, je več zapletov in manj potrebnih razdelilnikov žarka. To vodi do moje hevristike skaliranja fotonskega kvantnega računalnika: "Več kot je zank časovnega multipleksiranja, manj časa je potrebno za skaliranje." Slika 3 ponazarja isti koncept iz videa sporočila za javnost Xanadu.

Slika 3. Koncept časovnega multipleksiranja za povečanje prepletanja, zmanjšanje števila cepilnikov žarkov in podporo boljše razširljivosti. Zajem okvirja iz Video sporočila za javnost Xanadu.

Zdaj lahko intuitivno razumemo razširljivost, ko vidimo laboratorijsko postavitev. Andersen identificira komponente ki so in niso razširljivi, fotoničnega kvantnega računalnika njegove skupine DTU z uporabo arhitekture, ki jo je objavil Larsen et al, 2021.

Tekmovanje USTC

Prof. Andersen tudi identificira, v Vprašanja in odgovori njegove predstavitve, zakaj skupina Univerze za znanost in tehnologijo Kitajske (USTC): Jiuzhang 2.0, ni mogoče povečati. Skupina USTC uporablja vire prostega prostora, stisnjene svetlobe za svoje 113 fotonskih kubitov, ki so: 5x5x5cm, s pripadajočimi delilci žarka za prepletanje. Za računalništvo, odporno na napake, potrebujemo približno en milijon stanj stisnjene svetlobe. Čeprav gre torej za impresivno prizadevanje za kvantno nadvlado, bi zaradi te arhitekture sistem postal pregrešno velik.

Nekaj ​​načrtov za fotonski kvantni računalnik

Poleg Larsen et al, 2021, zgoraj, so ti načrti za fotonsko kvantno računalništvo dobro omenjeni v skupnosti:

Rastoči prodajalci in skupine fotonskih kvantnih računalnikov

Raziskave. Mednarodna fotonska kvantna računalniška skupnost z industrijo raste. Od leta 2012 je na arXiV skupno približno 850 raziskovalnih člankov o fotonski kvantni tehnologiji s približno 600-odstotnim povečanjem v zadnjem desetletju. Najhitrejša letna rast je do sedaj v tem letu 2022 (~50 % na koncu leta). Ta rast je v tem desetletju v koraku z rastjo (tudi ~600 %) preostalega raziskovalnega področja kvantne tehnologije.

Udeležba na konferenci. Skupnost se povečuje tudi, če primerjamo neenakomerno, geografsko severovzhodno težo entitet iz 2019 (35) in 2022  (45) Delavnica Photonics for Quantum (PfQ).. Posebej je vredno skočiti na spletno mesto PfQ 2019: posneli so koristne predstavitvene videe z ustreznimi predstavitvami.

Subjekti, nekateri s patenti. Sledenje rasti patentov fotonskih kvantnih patentov je zahtevno zaradi grobe ločljivosti ključnih besed »fotonske«. Vendar je mogoče identificirati nekatere prejemnike patentov. Tukaj je nekaj prodajalcev in skupin na področju fotonskega kvantnega računalništva z razpoložljivimi patenti:

Kanada

ZDA

• California
• Michigan

Kitajska

Nemčija

Nizozemska

Danska

Fotonsko kvantno računalniško ozadje

Poletje je in za zaključek bi rad delil svoje najljubše grafike s tega področja. To je barvit, neskončnodimenzionalen Hilbertov prostor, ki ga je ustvarila Brianna Gopaul, ki je bila leta 2018 pripravnica v Xanaduju. Srednji članek o osnovnem fotonskem kvantu operacije vrat; ona nam privošči to bogato sliko. To je zdaj moj namizni zaslon.

Amara Graps, dr. je interdisciplinarni fizik, planetarni znanstvenik, znanstveni komunikator in izobraževalec ter strokovnjak za vse kvantne tehnologije.