Фотонні квантові обчислення вдосконалюють стиснуте світло

1 червня, XNUMX частин, прес-анонс у Twitter та цінності Фотонний квантовий комп’ютер Borealis Ксанаду може бути шаблон прес-релізу до якого прагнуть усі інші квантові компанії. У темі генеральний директор компанії повідомив:

1) а посилання на якісну наукову статтю (Мадсен та інші, 2022) який демонструє особливий успіх;
2) як їх просування порівнює до аналогічної технології;
3) як широка громадськість може використовувати це;
4) що таке аванс зводився до одного-двох речень;
5) безпосередньо стосується кількох минулих проблем які виникли в результаті порівняння квантового обладнання. У цьому випадку: «підробка» та «справжні обчислювальні проблеми»;
6) а якісне відео, що пояснює аванс.

Це був надзвичайний прес-реліз завдяки своїй лаконічній якості з акцентом на технології. Почнемо з початку.

Фотонні квантові обчислення: що це?

Фотонні квантові пристрої працюють на принципово інших принципах заплутування, ніж спінові квантові пристрої. Фотонні квантові комп’ютери Xanadu засновані на моделі безперервної змінної (CV). Графік на рис. 1 від Закарі Вернона на семінарі PfQ 2019 пояснює першу фундаментальну відмінність. Замість дискретних станів |1>, |0> маємо неперервні змінні світлового поля, де закодована інформація про амплітуду та квадратуру фази.

малюнок 1. Рис. 1 від Закарі Вернона його презентація на 2019 Photonics for Quantum Workshop, пояснює принципову різницю.

Проблема фотонних кубітів полягає в тому, що вони недовговічні. Однак, якщо використовувати на основі вимірювань (МБ) квантові обчислення (QC) замість на основі воріт квантових обчислень, то можна природним чином обійти короткоживучі фотонні кубіти, оскільки обчислення виконуються негайно. Кубіт стає певним вимірюванням у фазовому просторі певного розподілу, який називається стиснуте світло or здавлений стан.  Стиснуті стани скористатися компромісом, щоб «стиснути» або зменшити невизначеність у вимірюваннях даної змінної, збільшуючи при цьому невизначеність у вимірюванні іншої змінної, яку дослідники можуть ігнорувати. Вузли кубітів замінюються стиснутими станами. Вибірка бозона Гауса (GBS) коли хтось бере вибірки з розподілу стиснутих станів.

Щоб зрозуміти концепцію квантових обчислень на основі безперервних змінних, заснованих на вимірюваннях, я знайшов найкращий опис на YouTube, де Ульрік Лунд Андерсен з Технічного університету Данії (DTU) у листопаді 2021 року дав візуально орієнтоване , онлайн бесіда: Оптичні квантові обчислення з безперервними змінними. У його виступі рядок за рядком проводяться вимірювання масиву стиснутих станів, показуючи, як стиснуті стани переплутані з вхідними станами, щоб стати кластерні держави. Через вимірювання кластерних станів виконується один Ворота, наприклад: універсальний набір воріт, як описано Ллойдом і Браунштейном, 1999, у їх класичній основі: Квантові обчислення над безперервними змінними. Потім Андерсен представляє іншого ключові компоненти фотонний квантовий комп'ютер.

• світлорозділювачі; є напіввідбиваючими дзеркалами та способом сплутати два різні вузли стиснутого стану. Вихід із циклом означає корельований «дворежимний стиснутий стан», також відомий як стан безперервної змінної ЕПР (перейдіть до відео Андерсена);
• гомодинне виявлення: це гетеродин, який забезпечує спосіб вибору квадратури у фазовому просторі для вимірювання та створення нових вихідних станів;
• потім, у послідовності після гомодинного виявлення, є чутливими детектори фотонів підрахувати кількість фотонів.

малюнок 2. Ульрік Лунд Андерсен з Технічного університету Данії (DTU) у листопаді 2021 року виступив із візуально орієнтованою онлайн-доповіддю: Оптичні квантові обчислення з безперервними змінними.

Системи с волоконно-оптичні з'єднання мають велику перевагу. Для відстаней > 1 см енергія, необхідна для передачі біта за допомогою фотона по волокну, менша, ніж енергія, необхідна для зарядки типової електронної лінії передачі на 50 Ом, що покриває таку ж відстань. (Nielsen & Chuang, 2010, стор. 296). Вони також можуть використовувати для зв’язку існуючі волоконно-оптичні мережі.

Як масштабувати фотонний квантовий комп'ютер

Ксанаду нові технологічні успіхи Покажи нам (Мадсен та інші, 2022) як фотонні квантові обчислення можна значно покращити та масштабувати:

• некласична генерація світла: генератори стиснутого світла на мікросхемі;
• мультиплексування у часовій області: петлі, які дозволяють отримати доступ до більш стислих режимів світла, не збільшуючи фізичний обсяг або складність системи;
• реалізація універсального набору воріт: програмована (Бромлі та інші, 2019);
• швидке електрооптичне перемикання: з інтерферометра гаусівський стан надсилається до двійкового дерева комутаторів 1-16 (demux), яке частково демультиплексує вихід перед зчитуванням за допомогою PNR;
• Крім того, покращення PNR, яке має a цільова кімнатна температура на увазі:
  • високошвидкісна технологія детектування за числом фотонів (PNR).: масив детекторів з роздільною здатністю фотонів (PNR) на основі надпровідних датчиків перехідного краю (TES) з ефективністю виявлення 95% (Арразола та ін., 2021).

Професор Андерсон ілюструє ключову інновацію: часове мультиплексування з покрокова анімація2D кластерної генерації зі стисненим світлом із використанням петлі в оптичному волокні, яка затримується рівно на один такт. Тоді світловий шлях синхронізується між дільниками променя. Якщо ви додасте більше петель, виникне більше заплутування та менше потрібних дільників променя. Це призводить до моєї евристики масштабування фотонного квантового комп’ютера: «Чим більше циклів мультиплексування, тим менше часу потрібно для масштабування». Рисунок 3 ілюструє ту саму концепцію з відео прес-релізу Xanadu.

малюнок 3. Концепція часового мультиплексування для збільшення заплутування, зменшення кількості дільників променя та підтримки кращої масштабованості. Рамка-захоплення від в Відео прес-релізу Xanadu.

Тепер ми можемо інтуїтивно зрозуміти масштабованість, коли бачимо лабораторну установку. Андерсен визначає компоненти які є та не є масштабованими фотонним квантовим комп’ютером його власної групи DTU, використовуючи архітектуру, опубліковану Ларсен та інші, 2021.

Конкурс USTC

Професор Андерсен також визначає, в Питання та відповіді його презентації, чому група Університету науки і технологій Китаю (USTC): Цзючжан 2.0, неможливо масштабувати. Група USTC використовує для своїх джерел джерела вільного простору, стиснутого світла 113 фотонних кубітів, які складають: 5x5x5 см, з відповідними світлороздільниками для заплутування. Для відмовостійких обчислень потрібен ~ один мільйон станів стиснутого світла. Тому, незважаючи на те, що це вражаюче зусилля квантової переваги, така архітектура зробить систему непомірно великою.

Деякі фотонні квантові комп'ютерні дорожні карти

На додаток до Ларсен та інші, 2021, вище, ці дорожні карти для фотонних квантових обчислень добре згадуються в спільноті:

Зростаючі постачальники та групи фотонних квантових комп’ютерів

Дослідження. Міжнародна спільнота фотонних квантових обчислень разом із промисловістю зростає. З 2012 року в arXiV налічується приблизно 850 дослідницьких статей із фотонної квантової технології, причому за останнє десятиліття їх кількість зросла на ~600%. Найшвидше річне зростання наразі відбувається у 2022 році (~50% у масштабі до кінця року). Це зростання не відстає від зростання (також ~600%) решти дослідницької галузі квантових технологій протягом десятиліття.

Участь у конференції. Спільнота також збільшується, якщо порівняти нерівномірну географічну північно-східну вагу суб’єктів з 2019 (35) і 2022  (45) Photonics for Quantum (PfQ) Workshop. Особливо варто зайти на сайт PfQ 2019: вони записали корисні презентаційні відео з відповідними презентаціями.

Організації, деякі з патентами. Відстеження зростання патентів на фотонні квантові патенти є складним завданням через грубу «фотонічну» роздільну здатність ключового слова. Проте деяких правонаступників патенту можна ідентифікувати. Ось деякі постачальники та групи в галузі фотонних квантових обчислень із наявними патентами:

Канада

USA

• Каліфорнія
• Мічиган

Китай

Німеччина

Нідерланди

Denmark

Шпалери фотонних квантових обчислень

Зараз літо, і на завершення я хотів би поділитися своєю улюбленою графікою з цієї галузі. Це барвистий, нескінченномірний гільбертів простір, створений Бріанною Гопаул, яка була стажисткою в Xanadu в 2018 році. Середня стаття про основний фотонний квант роботи воріт; вона пригощає нас цією багатою картиною. Тепер це мій екран робочого столу.

Амара Грапс, Ph.D. є міждисциплінарним фізиком, планетологом, науковим комунікатором і викладачем, а також експертом з усіх квантових технологій.