Ampliar / dividir fotones en una colección de vecinos las frecuencias pueden ayudar con el cálculo cuántico.
Hace mucho tiempo cuando comencé a escribir para Ars, Quantum experimental la informática acababa de comenzar a despegar. En ese momento, el gran las demostraciones de computación cuántica fueron muy simples cálculos, realizados utilizando fotones individuales como depósitos de Información cuántica. En aquel entonces, demostrando incluso una sola lógica La puerta era un desafío. La luz gobernaba el gallinero y las partículas cargadas se redujeron al estado de no suficientemente cuántico.
Eso cambió, por supuesto. Ahora, todas las grandes manifestaciones hacen uso de partículas cargadas: poca corriente superconductora bucles, filas de iones u otros. La luz, al parecer, ha sido reducido a una forma de mover qubits entre partículas cargadas.
El resultado reciente de Buta muestra que queda vida en computadoras cuánticas basadas en fotones y que el grado de paralelización disponible para una computadora cuántica basada en fotones ser difícil de superar usando otras tecnologías qubit
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�Por qué cargar cuando tienes una brigada ligera?
Para comprender las fortunas cambiantes de diferentes cuánticas tecnologías, tenemos que volver al pasado. De vuelta en los años 80, los físicos estaban interesados en probar realmente algunos de los inusuales consecuencias de la mecánica cuántica, como si la realidad es realmente real. Los teóricos habían propuesto gatos vivos y muertos, pero Estas descripciones fueron formales y difíciles de realizar. Si los físicos tenían fuentes que podían producir estados cuánticos especiales, entonces se podrían hacer pruebas reales en el mundo real.
Dio la casualidad de que esos estados eran más fáciles de producir con luz. Y desarrollar la capacidad de realizar los experimentos. También proporcionó la base sobre la cual una computadora cuántica podría ser desarrollado: los físicos terminaron en la feliz posición de tener laboratorios lleno de equipos que puedan demostrar la lógica básica operaciones de una computadora cuántica.
Todo esto ocurrió porque los fotones son especiales: pueden pasar a través del otro sin influencia. Entonces un qubit puede pasar otro qubit sin cambiar ninguno de los valores. Aun mejor, la óptica de alta calidad significaba que los qubits codificados en fotones eran preservados a medida que pasaban por el hardware. Los físicos tenían exactamente lo que necesitaban: un entorno con muy poco ruido y Un alto grado de control sobre el qubit.
Pero este trabajo finalmente empujó contra algunos límites. Sus difícil tomar una computadora cuántica óptica de cuatro qubits y escalarla a un número cada vez mayor de qubits Incluso usando todo lo realmente genial Tecnología desarrollada para la comunicación por fibra óptica, escala de qubit Es un problema real para los sistemas ópticos.
Compare eso con algo como cuántica superconductora dispositivos de interferencia. Todo lo que necesitan es un anillo casi completo de metales en una placa de circuito. Los ingenieros tienen la tecnología para escalar qubits basados en estos, y saben cómo crear circuitos que puede realizar operaciones en múltiples qubits para implementar razonablemente Algoritmos sofisticados.
El problema es que las partículas que forman una supercorriente estan cargados. Los cargos sienten los campos de todos sus vecinos, no solo otros qubits, sino que desde la fuente de alimentación, su teléfono móvil, la computadora portátil … todo.
Estos qubits son exactamente como los niños pequeños. Comienzan limpios y brillante, codificado con el más puro de los mensajes. Pero el niño rápidamente adquiere suciedad a través de un juego conocido como recoger constantemente suciedad, corrompiendo la información. Cuando los investigadores intentan mantener el niño de recoger la suciedad, lanza una rabieta que persiste hasta que accidentalmente vomita sobre el gato. No solo tiene su la información se volvió extremadamente desordenada, el proceso ha destruido el información codificada en todo lo que la rodea.
Incluso ahora, en términos del éxito de la lógica individual. operaciones, los qubits de interferencia cuántica no son lo suficientemente buenos para Cálculos útiles. A pesar de varias demostraciones de muy cool cálculos, su estado cuántico se desvanece demasiado rápido para realizar matemáticas más complejas En este sentido, los qubits codificados en Los fotones aún proporcionan los mejores resultados, a pesar de su aparente incapacidad para escalar.
El regreso de la luz
Los amantes de la luz no han estado sentados en sus manos cuando Sin embargo, se trata de escalar. Si tienes muchos qubits, necesitas un forma de dividirlos y combinarlos para que los qubits funcionen operaciones Para la luz, si solo hay dos qubits, esto es trivial: un espejo parcialmente reflectante u otra óptica estándar Hará el truco. Tan pronto como empieces a pensar en tres o sin embargo, más qubits, dividir y combinar fotones se vuelve muy difícil.
Aquí es donde entra en juego la última investigación. Para lograr un Combinador y divisor de múltiples qubits, los investigadores codificaron cada qubit en un color ligeramente diferente. Hicieron esto usando algo llamado modulador electroóptico. Un modulador electro-óptico toma en una señal de microondas, que cambia el índice de refracción de un bit de vidrio. A medida que la luz atraviesa el vidrio, su frecuencia es cambiado por los cambios periódicos en el índice de refracción. De hecho, es desplazado exactamente por la frecuencia del microondas.
Y este efecto cae en cascada. Entonces, puse un solo color y, fuera Por otro lado, obtengo el color que puse y un montón de otros. Cada color está separado de sus colores vecinos por el frecuencia del microondas. Ahora, esto suena excelente, porque el El modulador genera automáticamente un vasto estado de superposición. puse en un solo qubit con cierto color, y ese fotón único sale en estado de superposición de todos los colores disponibles de el modulador (si tuviera que medir el fotón, todavía obtengo un solo color, sin embargo, es solo en la superposición hasta Medición sucede). También puedo ir hacia otro lado: si tengo mi fotón se extendió a través de todas estas frecuencias diferentes, entonces puedo recombinarlos para que el fotón esté solo en un frecuencia.
Todo esto suena increíble, pero no lo es. El problema es que el La cascada no se detiene. Digamos que tengo la capacidad de calcular con 30 qubits Este proceso creará un estado de superposición que se extiende mucho más allá de los 30 previstos, arruinando cualquier potencial cálculo. Para decirlo en términos más sólidos: si pudiera limitar el proceso en cascada solo a las 30 frecuencias que corresponden a mi qubits, entonces la probabilidad de éxito para cualquier operación que yo actuar en mis qubits sería casi la unidad. Cada adicional la frecuencia que se incluye involuntariamente reduce la probabilidad del éxito.
Podemos simplificar esto de una manera que nos ayude a entender cómo eso funciona y cómo resolver el problema. Vamos a tener un qubit que pasa a través de un modulador y emerge como dos qubits en adyacente frecuencias Ahora, el campo de luz de los dos qubits tiene una fase: la la forma en que se alinean los picos y los canales de las dos ondas de luz, eso fue fijado por la luz entrante y el campo de microondas. A continuación, enviemos estos qubits a través de un segundo modulador. Porque la fase es sin cambios, los dos qubits se convierten en cuatro. Pero si demoramos un qubit con respecto al otro, de modo que los picos de un qubit se alineen con los canales del segundo, entonces el modulador no creará dos qubits adicionales, recombinará los dos qubits en un solo qubit.
Esto proporciona una solución. Nuestro qubit se extiende a través de (potencialmente) cientos de qubits por el primer modulador. Limitar nuestro espacio computacional a los primeros 30, colocamos un dispositivo después el primer modulador que cambia las fases de todo el individuo qubits. Lo arreglamos para que, cuando entren en el segundo modulador, la luz en frecuencias fuera de la computacional El espacio se destruye y se vuelve a emitir en el espacio computacional.
Control determinado
La operación que acabo de describir básicamente toma un qubit y lo extiende con precisión a través de un espacio computacional deseado. los reversa también se puede realizar: todos los qubits recombinados en un qubit único Y dependiendo de la elección de la fase, arbitraria También se pueden obtener combinaciones.
Ahora, todo esto se puede hacer en un sistema electrónico más tradicional. sistemas, también, ¿qué tiene de especial aquí? Quizás el más grande La diferencia es que esto se puede hacer de una manera notablemente simple y de manera libre de ruido. Los investigadores muestran probabilidades de éxito que son tan buenos como los mejores sistemas de iones únicos y fotones individuales. Y a diferencia de los qubits basados en iones, las operaciones se realizan muy rápido y en paralelo en todo el espacio qubit. Eso le da a esta combinación de los moduladores y la fase controlan el potencial de ser bastante poderoso técnica.
El mayor problema es que esto todavía usa relativamente grandes y torpe hardware de la industria de las telecomunicaciones. Sin embargo, Siendo un tipo de óptica, voy a hacer una predicción predecible. La luz ganará. Creo que en todos los demás sistemas: iones atrapados, qubits superconductores, o cualquiera que sea su sistema favorito, el el ruido demostrará ser un factor limitante. Los investigadores demostrar el control cuántico, pero les resultará muy difícil para escalar aún más a sistemas que pueden resolver problemas reales.
Los sistemas basados en luz, por otro lado, enfrentan problemas asociados con escala en primer lugar. Las mismas propiedades que lo hacen tan fácil de trabajar como un sistema computacional cuántico son los eso hace que sea difícil hacer una gran computadora cuántica. Mi creencia es que esos problemas de escala serán más fáciles de resolver que el ruido problemas enfrentados en otros sistemas.
Physical Review Letters, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.030502
