Photonic Quantum Computing avancerar pressat ljus

Den 1 juni, tio delar, pressmeddelande på Twitter för Xanadus Borealis fotoniska kvantdator skulle kunna vara d mall för pressmeddelande som alla andra kvantföretag strävar efter. I tråden angav företagets VD:

1) till länk till en högkvalitativ vetenskaplig artikel (Madsen et al, 2022) som visar den särskilda framgången;
2) hur deras framsteg jämför till liknande teknik;
3) hur allmänheten kan använda Det;
4) vad är förskottet kokas ner till en eller två meningar;
5) tar direkt upp ett par tidigare frågor som har uppstått från jämförelser av kvanthårdvara. I det här fallet: "spoofing" och "riktiga beräkningsproblem";
6) till kvalitetsvideo, vilket förklarar förskottet.

Det var ett anmärkningsvärt pressmeddelande för sin kortfattade kvalitet med fokus på tekniken. Låt oss börja från början.

Photonic Quantum Computing: Vad är det?

Fotoniska kvantanordningar fungerar enligt fundamentalt olika sammantrasslingsprinciper än spinnbaserade kvantanordningar. Xanadus fotoniska kvantdatorer är baserade på modellen med kontinuerlig variabel (CV). Grafiken i Fig. 1 från Zachary Vernon vid PfQ 2019 Workshop förklarar den första grundläggande skillnaden. Istället för diskreta |1>, |0> tillstånd har vi kontinuerliga variabler av ljusfältet, där information om amplituden och faskvadraturen kodas.

Figur 1. Fig. 1 från Zachary Vernon hans presentation på 2019 Photonics for Quantum Workshop, förklarar den grundläggande skillnaden.

Utmaningen för fotoniska qubits är att de är kortlivade. Däremot om man använder mätningsbaserad (MB) quantum computing (QC) istället för grindbaserad kvantberäkning, då kan man kringgå kortlivade fotoniska qubits naturligt, eftersom beräkningarna utförs omedelbart. Qubiten blir ett visst mått i fasutrymmet för en viss fördelning, vilket kallas klämt ljus or pressat tillstånd.  Klämda tillstånd dra fördel av avvägningen för att "pressa" eller minska osäkerheten i mätningarna av en given variabel, samtidigt som man ökar osäkerheten i mätningen av en annan variabel som forskarna kan ignorera. Qubit-noderna ersätts av squeezed states. Gaussisk bosonsampling (GBS) är när man tar prover från fördelningen av de pressade tillstånden.

För att förstå konceptet med kontinuerlig variabel, mätningsbaserad kvantberäkning är den bästa beskrivningen jag hittat på YouTube, där Ulrik Lund Andersen från Danmarks Tekniske Universitet (DTU), i november 2021, gav en visuellt orienterad , onlineprat: Optisk kvantberäkning med kontinuerliga variabler. Hans tal stegar igenom mätningarna, rad för rad av arrayen av klämda tillstånd genom att visa hur de klämda tillstånden är intrasslade med ingångstillstånden, för att bli klustrade tillstånd. Genom mätningar på de klustrade tillstånden utför man grindar, till exempel: den universella porten som beskrivs av Lloyd och Braunstein, 1999, i deras klassiska grund: Kvantberäkning över kontinuerliga variabler. Andersen presenterar sedan den andre nyckelkomponenter i fotonisk kvantdator.

• stråldelare; är semi-reflekterande speglar och sättet att trassla in två olika noder för klämt tillstånd. Utsignalen med slingan betecknar det korrelerade "två-mods squeezed state" även känt som kontinuerligt variabelt EPR-tillstånd (hoppa till Andersens video);
• homodyn detektion: är en lokal oscillator som tillhandahåller ett sätt att välja kvadraturen i fasrymden att mäta och som producerar nya utgångstillstånd;
• sedan, i sekvensen efter homodyndetekteringen, är känsliga fotondetektorer för att räkna antalet fotoner.

Figur 2. Ulrik Lund Andersen från Danmarks Tekniske Universitet (DTU) höll i november 2021 ett visuellt orienterat onlineföredrag: Optisk kvantberäkning med kontinuerliga variabler.

System med optiska fiberanslutningar har en stor fördel. För avstånd > 1 cm är energin som behövs för att sända en bit med hjälp av en foton över en fiber mindre än energin som krävs för att ladda en typisk 50 ohm elektronisk transmissionsledning som täcker samma avstånd. (Nielsen & Chuang, 2010, sid. 296). De kan också ta förskott på befintliga optiska fibernät för kommunikation.

Hur man skalar en fotonisk kvantdator

Xanadu's nya tekniska framgångar visa oss (Madsen et al, 2022) hur fotonisk kvantberäkning kan förbättras och skalas dramatiskt:

• icke-klassisk ljusgenerering: pressade ljusgeneratorer på ett chip;
• tidsdomänmultiplexering: slingor, som tillåter åtkomst till fler lägen med klämt ljus, utan att öka systemets fysiska omfattning eller komplexitet;
• universal gate set implementering: programmerbar (Bromley et al, 2019);
• snabb elektrooptisk omkoppling: från interferometern sänds det Gaussiska tillståndet till ett 1-till-16 binärt switchträd (demux), som delvis demultiplexerar utsignalen före avläsning av PNR:er;
• Plus, en PNR-förbättring, som har en rumstemperaturmål i sikte:
  • höghastighetsteknik för detektering av fotonnummerupplösning (PNR).: en uppsättning fotonnummerupplösningsdetektorer (PNR) baserade på supraledande övergångskantsensorer (TES) med 95 % detektionseffektivitet (Arrazola et al., 2021).

Professor Anderson illustrerar en nyckelnyhet: tidsmultiplex med en steg-through animation, av en 2D, klämt ljus, klustergenerering, med användning av en slinga i den optiska fibern som är fördröjd med exakt en klockcykel. Ljusvägen synkroniseras sedan mellan stråldelare. Om du lägger till fler slingor blir det mer intrassling och färre nödvändiga stråldelare. Detta leder till min fotoniska kvantdatorskalningsheuristik: "Ju mer tid som multiplexerar loopar, desto mindre tid behövs för att skala." Figur 3 illustrerar samma koncept från Xanadu pressmeddelandevideo.

Figur 3. Tidsmultiplexeringskoncept för att öka intrassling, minska antalet stråldelare och stödja bättre skalbarhet. Ramgrepp från Xanadu pressmeddelande video.

Nu kan vi intuitivt förstå skalbarheten när vi ser en laboratorieuppställning. Andersen identifierar komponenterna som är, och inte är, skalbara av hans egen DTU-grupps fotoniska kvantdator, med hjälp av arkitekturen, publicerad av Larsen et al, 2021.

USTC-tävling

Prof. Andersen identifierar också, i Frågor och svar av hans presentation, varför University of Science and Technology of China (USTC) grupp: Jiuzhang 2.0, kan inte skala. USTC-gruppen använder källor med fritt utrymme, klämt ljus för sina 113 fotoniska qubits, som är: 5x5x5cm, med motsvarande stråldelare för intrassling. För feltoleranta beräkningar behöver man ~en miljon tillstånd med klämt ljus. Därför, även om detta är en imponerande ansträngning av kvantöverhöghet, skulle denna arkitektur göra systemet oöverkomligt stort.

Några Photonic Quantum Computer Roadmaps

Utöver Larsen et al, 2021, ovan, är dessa färdplaner för fotonisk kvantberäkning väl refererade i samhället:

Växande fotoniska kvantdatorleverantörer och grupper

Forskning. Den internationella fotoniska kvantdatorgemenskapen med industrin växer. Sedan 2012 finns det totalt cirka 850 forskningsartiklar inom fotonisk kvantteknologi vid arXiV med en ökning på ~600 % under det senaste decenniet. Den snabbaste årliga ökningen är hittills detta år 2022 (~50 % skalat till årsskiftet). Denna tillväxt håller jämna steg med tillväxten (också ~600%) av resten av det kvantteknologiska forskningsfältet under decenniet.

Konferensdeltagande. Samhället ökar också, om vi jämför den ojämna, geografiska nordöstra vikten av enheterna från 2019 (35) och 2022  (45) Fotonik för Quantum (PfQ) Workshop. Det är särskilt värt att hoppa till PfQ-webbplatsen 2019: de har spelat in användbara presentationsvideor med motsvarande presentationer.

Enheter, några med patent. Att spåra patenttillväxten för fotoniska kvantpatent är utmanande, på grund av den grova "fotoniska" nyckelordsupplösningen. Vissa patenthavare kan dock identifieras. Här är några leverantörer och grupper inom fotonisk kvantberäkningsfält med tillgängliga patent:

Kanada

USA

• kalifornien
• Michigan

Kina

Tyskland

Nederländerna

Danmark

Fotonisk Quantum Computing Bakgrund

Det är sommar och för att avsluta lätt vill jag dela med mig av min favoritgrafik från detta område. Det här är det färgstarka, oändliga dimensionella Hilbert-utrymmet, skapat av Brianna Gopaul, som var praktikant på Xanadu 2018. I sin hjälpsamma Mediumartikel om det grundläggande fotoniska kvantumet grindoperationer; hon unnar oss denna rika bild. Det är min skrivbordsskärm nu.

Amara Graps, Ph.D. är en tvärvetenskaplig fysiker, planetforskare, vetenskapskommunikatör och utbildare och expert på all kvantteknologi.