การประมวลผลควอนตัมแบบโฟโตนิกส์ช่วยให้แสงบีบลง

วันที่ 1 มิถุนายน สิบส่วน แถลงข่าวทางทวิตเตอร์ for คอมพิวเตอร์ควอนตัมโทนิค Borealis ของ Xanadu อาจจะเป็น แม่แบบการแถลงข่าว ที่บริษัทควอนตัมอื่น ๆ ปรารถนา ในหัวข้อ CEO ของบริษัทระบุว่า:

1) เชื่อมโยงไปยังเอกสารทางวิทยาศาสตร์คุณภาพสูง (Madsen และคณะ 2022) ซึ่งแสดงถึงความสำเร็จโดยเฉพาะ;
2) ความก้าวหน้าของพวกเขาเป็นอย่างไร เปรียบเทียบ สู่เทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกัน
3) วิธี ประชาชนทั่วไปสามารถใช้ได้ มัน;
4) ล่วงหน้าคืออะไร ต้มลงไปหนึ่งหรือสองประโยค;
5) กล่าวถึงปัญหาที่ผ่านมาสองประเด็นโดยตรง ที่เกิดจากการเปรียบเทียบฮาร์ดแวร์ควอนตัม ในกรณีนี้: 'การปลอมแปลง' และ 'ปัญหาการคำนวณจริง';
6) วิดีโอคุณภาพซึ่งจะอธิบายล่วงหน้า

มันเป็นข่าวประชาสัมพันธ์ที่น่าทึ่งสำหรับคุณภาพที่รวบรัดโดยเน้นที่เทคโนโลยี เริ่มกันที่จุดเริ่มต้น

โทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์: มันคืออะไร?

อุปกรณ์ควอนตัมโฟโตนิกทำงานบนหลักการพัวพันที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานมากกว่าอุปกรณ์ควอนตัมแบบสปิน คอมพิวเตอร์ควอนตัมโฟโตนิกของ Xanadu ใช้แบบจำลองตัวแปรต่อเนื่อง (CV) กราฟิกในรูปที่ 1 จาก Zachary Vernon ที่ PfQ 2019 Workshop อธิบายความแตกต่างพื้นฐานอย่างแรก แทนที่จะแยกสถานะ |1>, |0> เรามีตัวแปรต่อเนื่องของสนามแสง ซึ่งข้อมูลเกี่ยวกับแอมพลิจูดและเฟสพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสจะถูกเข้ารหัส

รูป 1. รูปที่ 1 จาก Zachary Vernon การนำเสนอของเขาที่ Photonics for Quantum Workshop ปี 2019อธิบายความแตกต่างพื้นฐาน

ความท้าทายสำหรับโทนิคคิวบิตคือพวกมันมีอายุสั้น อย่างไรก็ตาม ถ้าใครใช้ ตามการวัด (MB) ควอนตัมคอมพิวเตอร์ (QC) แทน ตามประตู การคำนวณด้วยควอนตัม เราสามารถหลีกเลี่ยงโทนิคคิวบิตอายุสั้นได้โดยธรรมชาติ เนื่องจากการคำนวณจะดำเนินการทันที qubit กลายเป็นการวัดเฉพาะในเฟสสเปซของการกระจายเฉพาะ ซึ่งเรียกว่า แสงบีบ or สถานะบีบ.  รัฐที่ถูกบีบ ใช้ประโยชน์จากการแลกเปลี่ยนเพื่อ "บีบ" หรือลดความไม่แน่นอนในการวัดของตัวแปรที่กำหนด ในขณะที่เพิ่มความไม่แน่นอนในการวัดของตัวแปรอื่นที่นักวิจัยสามารถเพิกเฉยได้ โหนด qubit จะถูกแทนที่ด้วยสถานะบีบ การสุ่มตัวอย่างเกาส์โบซอน (GBS) คือเมื่อดึงตัวอย่างจากการกระจายตัวของสภาวะบีบตัว

เพื่อให้เข้าใจแนวคิดของการคำนวณแบบควอนตัมแบบแปรผันต่อเนื่อง ตามการวัด คำอธิบายที่ดีที่สุดที่ฉันพบคือที่ YouTube ซึ่ง Ulrik Lund Andersen จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเดนมาร์ก (DTU) ในเดือนพฤศจิกายน 2021 ได้ให้แนวคิดเชิงภาพ , พูดคุยออนไลน์: การคำนวณควอนตัมด้วยแสงพร้อมตัวแปรต่อเนื่อง. ขั้นตอนการพูดคุยของเขาผ่านการวัดทีละบรรทัดของอาร์เรย์ของสถานะที่ถูกบีบโดยแสดงให้เห็นว่าสถานะที่ถูกบีบนั้นเข้าไปพัวพันกับสถานะอินพุตได้อย่างไร สถานะคลัสเตอร์. ผ่านการวัดในสถานะคลัสเตอร์ ดำเนินการ ประตูตัวอย่างเช่น: ประตูสากลที่กำหนดไว้ตามที่อธิบายโดย Lloyd และ Braunstein, 1999 ในรากฐานแบบคลาสสิก: การคำนวณควอนตัมของตัวแปรต่อเนื่อง. แอนเดอร์เซ็นแนะนำตัวอื่น ๆ ส่วนประกอบสำคัญของ คอมพิวเตอร์ควอนตัมโทนิค.

• ตัวแยกลำแสง; เป็นกระจกกึ่งสะท้อนแสงและวิธีพันโหนดสถานะบีบที่แตกต่างกันสองโหนด เอาต์พุตที่มีลูปหมายถึง "สถานะบีบสองโหมด" ที่สัมพันธ์กันหรือที่เรียกว่า สถานะ EPR ผันแปรต่อเนื่อง (ข้ามไปที่วิดีโอของ Andersen);
• การตรวจจับโฮโมไดน์: เป็นออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ให้วิธีการเลือกพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสในเฟสสเปซเพื่อวัดและสร้างสถานะเอาต์พุตใหม่
• จากนั้นในลำดับหลังจากการตรวจจับโฮโมไดน์จะมีความละเอียดอ่อน เครื่องตรวจจับโฟตอน เพื่อนับจำนวนโฟตอน

รูป 2. Ulrik Lund Andersen จาก Technical University of Denmark (DTU) ในเดือนพฤศจิกายน 2021 บรรยายออนไลน์ที่เน้นภาพ: การคำนวณควอนตัมด้วยแสงพร้อมตัวแปรต่อเนื่อง.

ระบบที่มี การเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง ได้เปรียบมาก สำหรับระยะทาง > 1 ซม. พลังงานที่จำเป็นในการส่งบิตโดยใช้โฟตอนผ่านไฟเบอร์จะน้อยกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการชาร์จสายส่งอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป 50 โอห์มซึ่งครอบคลุมระยะทางเดียวกัน (Nielsen & Chuang, 2010, หน้า 296). นอกจากนี้ยังสามารถใช้ประโยชน์จากเครือข่ายใยแก้วนำแสงที่มีอยู่เพื่อการสื่อสาร

วิธีปรับขนาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมโทนิค

ซานาดู ความสำเร็จทางเทคโนโลยีใหม่ แสดงให้เราเห็น (Madsen และคณะ 2022) วิธีการคำนวณโทนิคควอนตัมสามารถปรับปรุงและปรับขนาดได้อย่างมาก:

• การสร้างแสงที่ไม่ใช่แบบคลาสสิก: เครื่องกำเนิดแสงบีบบนชิป;
• การมัลติเพล็กซ์โดเมนเวลา: ลูปซึ่งอนุญาตให้เข้าถึงโหมดแสงที่บีบมากขึ้น โดยไม่เพิ่มขอบเขตทางกายภาพหรือความซับซ้อนของระบบ
• การใช้งานชุดเกทสากล: ตั้งโปรแกรมได้ (บรอมลีย์และคณะ 2019);
• การสลับไฟฟ้าแสงอย่างรวดเร็ว: จากอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ สถานะเกาส์เซียนจะถูกส่งไปยังทรีสวิตช์ไบนารี 1 ถึง 16 (ดีมักซ์) ซึ่งจะแยกเอาต์พุตมัลติเพล็กซ์ออกบางส่วนก่อนอ่านค่าโดย PNR
• นอกจากนี้ การปรับปรุง PNR ซึ่งมี เป้าหมายอุณหภูมิห้อง ในมุมมอง:
  • เทคโนโลยีการตรวจจับแบบหาค่าโฟตอน (PNR) ความเร็วสูง: เครื่องตรวจจับจำนวนโฟตอน (PNR) แบบอาร์เรย์ที่อิงตามเซ็นเซอร์ขอบทรานซิชันตัวนำยิ่งยวด (TES) พร้อมประสิทธิภาพการตรวจจับ 95% (อาร์ราโซลา และคณะ, 2021).

ศาสตราจารย์ Anderson แสดงให้เห็นถึงนวัตกรรมที่สำคัญ: เวลามัลติเพล็กซ์ กับ แอนิเมชั่นทีละขั้นตอนของการสร้างคลัสเตอร์แบบ 2 มิติแบบบีบแสงโดยใช้การวนซ้ำในใยแก้วนำแสงที่ล่าช้าหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกา จากนั้นเส้นทางแสงจะถูกซิงโครไนซ์ระหว่างตัวแยกลำแสง หากคุณเพิ่มลูปมากขึ้น ก็จะมีสิ่งกีดขวางมากขึ้น และตัวแยกลำแสงที่จำเป็นน้อยลง สิ่งนี้นำไปสู่การปรับขนาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมโทนิคของฉัน: “ยิ่งวนลูปมัลติเพล็กซ์มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งใช้เวลาน้อยลงในการปรับขนาด” รูปที่ 3 แสดงแนวคิดเดียวกันจากวิดีโอประชาสัมพันธ์ของ Xanadu

รูป 3. แนวคิดไทม์มัลติเพล็กซ์เพื่อเพิ่มสิ่งกีดขวาง ลดจำนวนตัวแยกลำแสง และรองรับการปรับขยายที่ดีขึ้น เฟรมคว้าจาก วิดีโอแถลงข่าว Xanadu.

ตอนนี้เราสามารถเข้าใจความสามารถในการปรับขนาดได้โดยสัญชาตญาณเมื่อเราเห็นการตั้งค่าในห้องปฏิบัติการ แอนเดอร์เซ็น ระบุส่วนประกอบ นั่นคือและไม่สามารถปรับขนาดได้ของโทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์ของกลุ่ม DTU ของเขาเอง โดยใช้สถาปัตยกรรมที่จัดพิมพ์โดย เสนและคณะ 2021.

การแข่งขัน USTC

ศ. แอนเดอร์เซ็นยังระบุใน Q & A จากการนำเสนอของเขา เหตุใดกลุ่มมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) จึง: จิ่วจาง 2.0ไม่สามารถปรับขนาดได้. กลุ่ม USTC กำลังใช้พื้นที่ว่าง แสงบีบ แหล่งที่มาสำหรับพวกเขา 113 คิวบิตโทนิคซึ่งมีขนาด: 5x5x5 ซม. พร้อมตัวแยกลำแสงที่สอดคล้องกันสำหรับการพันกัน สำหรับการประมวลผลที่ทนทานต่อความผิดพลาด ผู้ใช้ต้องการ ~ หนึ่งล้านสถานะแบบบีบแสง ดังนั้น แม้ว่านี่จะเป็นความพยายามที่น่าประทับใจของอำนาจสูงสุดทางควอนตัม แต่สถาปัตยกรรมนี้จะทำให้ระบบมีขนาดใหญ่อย่างห้ามปราม

แผนงานคอมพิวเตอร์โทนิคควอนตัมบางส่วน

นอกจาก เสนและคณะ 2021ข้างต้น Roadmaps สำหรับ Photonic Quantum Computing เหล่านี้ได้รับการอ้างอิงอย่างดีในชุมชน:

การเติบโตของผู้ขายและกลุ่มคอมพิวเตอร์โทนิคควอนตัม

วิจัย. ชุมชนโทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์ระดับนานาชาติพร้อมอุตสาหกรรมกำลังเติบโต ตั้งแต่ปี 2012 เป็นต้นมา มีเอกสารการวิจัยเทคโนโลยีโทนิคควอนตัมรวมประมาณ 850 ฉบับที่ arXiV โดยเพิ่มขึ้นประมาณ 600% ในทศวรรษที่ผ่านมา เพิ่มขึ้นเร็วที่สุดต่อปีในปี 2022 นี้ (ประมาณ 50% ปรับเป็นสิ้นปี) การเติบโตนี้สอดคล้องกับการเติบโต (ประมาณ 600%) ของสาขาการวิจัยเทคโนโลยีควอนตัมที่เหลือในช่วงทศวรรษนี้

การเข้าร่วมการประชุม ชุมชนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน หากเราเปรียบเทียบน้ำหนักทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือทางภูมิศาสตร์ที่ไม่สม่ำเสมอของหน่วยงานจาก 2019 (35) และ 2022  (45) โฟโตนิกส์สำหรับควอนตัม (PfQ) Workshop. การข้ามไปที่ไซต์ PfQ ปี 2019 นั้นคุ้มค่าเป็นพิเศษ: พวกเขาได้บันทึกวิดีโอการนำเสนอที่เป็นประโยชน์พร้อมการนำเสนอที่เกี่ยวข้อง

หน่วยงานบางส่วนที่มีสิทธิบัตร. การติดตามการเติบโตของสิทธิบัตรของสิทธิบัตรโทนิคควอนตัมเป็นสิ่งที่ท้าทาย เนื่องจากความละเอียดคำหลัก 'โฟโตนิก' ที่หยาบ อย่างไรก็ตาม สามารถระบุผู้รับโอนสิทธิบัตรบางรายได้ ต่อไปนี้คือผู้ขายและกลุ่มบางส่วนในฟิลด์โทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีสิทธิบัตร:

แคนาดา

สหรัฐอเมริกา

• แคลิฟอร์เนีย
• มิชิแกน

สาธารณรัฐประชาชนจีน

ประเทศเยอรมัน

เนเธอร์แลนด์

เดนมาร์ก

วอลล์เปเปอร์โทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์

เข้าสู่ฤดูร้อนแล้ว และขอจบแบบเบาๆ ฉันต้องการแบ่งปันกราฟิกที่ฉันชื่นชอบจากสาขานี้ นี่คือพื้นที่ Hilbert ที่เต็มไปด้วยสีสันและไม่มีที่สิ้นสุด สร้างขึ้นโดย Brianna Gopaul ซึ่งเป็นนักศึกษาฝึกงานที่ Xanadu ในปี 2018 ในการช่วยเหลือของเธอ บทความระดับกลาง เกี่ยวกับโทนิคควอนตัมพื้นฐาน การทำงานของประตู; เธอปฏิบัติต่อเราด้วยภาพที่สมบูรณ์นี้ ตอนนี้เป็นหน้าจอเดสก์ท็อปของฉันแล้ว

อมรา เกรปส์ พญ. เป็นนักฟิสิกส์สหวิทยาการ นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ นักสื่อสารวิทยาศาสตร์ และนักการศึกษา และผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับเทคโนโลยีควอนตัมทั้งหมด