Quantencomputing-Elektronik vs. Photonik: Neue Chips werden das Gleichgewicht verschieben

Wie würden Sie es finden, skalierbare, Python-programmierbare Quantencomputing-Ressourcen über die Cloud zugänglich zu machen? Das kanadische Start-up Xanadu hat kürzlich einen Chip angekündigt, der diese Art der Zugänglichkeit im Quantencomputing ermöglicht. Noch interessanter ist, wie dieser Typ von Chip in das Ökosystem des Quantencomputings passen wird und wie er Photonik nutzt, um Qubits in einem Quantencomputer zu manipulieren.

Obwohl 2021 sich als das Jahr der KI aufzumachen scheint, machen Quantenfortschritte immer noch Schlagzeilen, genau wie sie es 2020 getan haben. Am 8. März 2021 berichtete Phys.org, dass das kanadische Start-up Xanadu und das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) einen neuen programmierbaren Chip für die Ausführung mehrerer Quantenalgorithmen angekündigt haben. Der Bericht folgt auf eine wegweisende Veröffentlichung in Nature, in der die Autoren berichten, dass ihr Chip bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Dieser Chip unterscheidet sich von früheren Fortschritten im Quantencomputing, über die wir in diesem Blog berichtet haben, wo RF-Signale oder Laser verwendet werden, um Qubits in einem großen, kryogen gekühlten System zu manipulieren.

Xanadus Chip ist einzigartig, da er mit Photonen oder Licht bei optischen Wellenlängen arbeitet. In der Quanteninformatik haben bisher supraleitende Qubits und gefangene-Ionen-Qubits den Ton angegeben, und diese Rechnerarchitekturen werden in den typischerweise großen Quantencomputern verwendet. Dieser neue Fortschritt von Xanadu markiert einen neuen Sieg im Portfolio der Photonik und es bleibt abzuwarten, ob dies zum neuen Standard für die Hardware der Quantencomputing werden wird.

Photonik zeigt Quantenvorteil

Dieser neue Chip ist einzigartig in Bezug auf seine physische Größe, wie er funktioniert und wie er in einen größeren Quanten-IC oder Prozessor integriert werden kann. Wir beginnen zu sehen, dass Quanten-ICs die gleiche Entwicklung von Skalierung und Integration durchlaufen, die elektronische ICs in den letzten 50 Jahren erlebt haben. Ein Schema, das die Architektur von Xanadus Prozessor zeigt, ist unten dargestellt. Dieser Chip ist vollständig photonisch; Pumplicht (Eingabedaten) wird dem Schaltkreis über einen I/O-Koppler mit Faser zugeführt. Der Ausgang des Chips kann dann aus einem Ausgangskoppler ausgelesen und zu einem supergekühlten Detektor gesendet werden.

Die oben gezeigte Architektur verwendet Ringresonator-Hohlräume am Eingang, um Photonen in hochkohärenten Quantenzuständen, bekannt als „gequetschte“ Zustände, zu fangen, die bei Raumtemperatur gespeichert werden. In der Mitte zwischen den Eingängen und Ausgängen sind Strahlteiler und Phasenschieber mit Wellenleitern verbunden, um programmierbare Quanteninterferometer zu erstellen. Dies ermöglicht das programmierbare Mischen von Zuständen, während die Eingangsphotonen zum Ausgang propagieren. Schließlich wird ein klassisches elektronisches Steuermodul verwendet, um Benutzereingaben zu empfangen und jeden Strahlteiler und Phasenschieber im Array zu konfigurieren.

Vorteile

Diese Architektur ist sehr leistungsfähig und bietet mehrere Vorteile gegenüber gefangenen Ionen-Qubits und supraleitenden Qubits:

• Mehr-Photonen-Betrieb: Die aktuelle Inkarnation empfängt Daten aus Fasern, aber die Busbreite könnte erweitert werden, um einen oder mehrere parallele Datenströme zu ermöglichen.
• Niedriger Verlust: Die Ringresonatorstruktur und Wellenleiterstruktur begrenzt das Licht natürlich dank totaler interner Reflexion. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber anderen konkurrierenden Quantencomputern, die sehr verlustreich sind.
• Raumtemperatur: Quantencomputer, die mit supraleitenden Qubits und gefangenen Ionen-Qubits arbeiten, müssen bei kryogenen Temperaturen betrieben werden. Dies ist teilweise notwendig, um Dekohärenz (Verlust des Quantenzustands eines Qubits) zu verhindern und teilweise, um sicherzustellen, dass die Verbindungen und die Qubits supraleitend/gefangen bleiben. Die Möglichkeit, bei Raumtemperatur zu arbeiten, eliminiert die Notwendigkeit komplexer Kühlsysteme oder präziser Laserkühleinrichtungen, um zu gewährleisten, dass die Qubit-Zustände nicht verloren gehen.
• Programmierbar: Das Gerät verfügt über eine einfache Architektur, die mit einer Python-Bibliothek konfiguriert werden kann. Dies ist ein großer Vorteil für Skalierbarkeit und Integration; darüber werde ich weiter unten mehr diskutieren.
• Hochgradig skalierbar: Einer der größten limitierenden Faktoren bei Standard-Quantencomputern, wie denen, die auf Mikrowellenresonatorhöhlen mit gefangenen Ionen basieren, ist ihre Skalierbarkeit. Alles auf einem planaren Chip aufzubauen, macht diese Geräte viel skalierbarer und ermöglicht möglicherweise ihre Integration in Standard-IC-Architekturen (2D, 2.5D oder 3D).
• Siliziumplattform: Die Verwendung von Silizium als Photonikplattform unterstützt die Skalierung, da diese Chips in einem CMOS-Prozess implementiert werden könnten. Die Integration von Lichtquellen und Detektoren auf dem Chip bleibt herausfordernd, und die Integration auf eine Platine könnte einzigartige Verbindungsstile erfordern, um Licht zu liefern und zu sammeln.

Beachten Sie, dass nur der Chip bei Raumtemperatur arbeitet; der Detektor und die Auslese-Seite des Systems funktionieren immer noch bei extrem gekühlten Temperaturen, aber das System ist ein Schritt in die richtige Richtung. Der wichtigere Aspekt dieses Systems ist, dass seine Skalierbarkeit theoretisch einen Quantenvorteil ermöglichen kann.

Quantenvorteil

Der Begriff „Quantenvorteil“ bedeutet einfach, dass ein bestimmter Quantencomputer in der Lage ist, Berechnungen durchzuführen, die mit einem klassischen Computer nicht machbar sind. Die Fähigkeit, Berechnungen mit mehreren Eingängen und Ausgängen parallel durchzuführen, macht das System nicht nur skalierbar, sondern ermöglicht auch einen Quantenvorteil. Mit der Zunahme der Anzahl von Eingangsports steigt auch die Anzahl der möglichen Zustände, was die Zeit erhöhen würde, die ein klassischer Computer benötigen würde, um alle möglichen Werte an den Ausgangsports zu simulieren.

„Hallo Welt!“ in der Quantencloud

Dieser neue Quantenprozessor ist jetzt für den öffentlichen Zugang auf der Cloud-Plattform von Xanadu verfügbar, und Entwickler können ihre eigenen Quantenalgorithmen mit PennyLane, der Python-Bibliothek des Unternehmens für die Entwicklung von Quantencomputing, einsetzen. Dies ist ein weiterer Schritt in die richtige Richtung für skalierbares, allgemeines Quantencomputing: die Entwicklung eines Software-Stacks, um Quantenanwendungen in beliebten Programmiersprachen zu bauen.

Wenn Sie Ihr eigenes Programm auf Xanadus Cloud bereitstellen möchten, müssen Sie Zugang anfordern. Vorausgesetzt, Sie haben Zugang, können Sie deren Bibliothek mit dem folgenden Codeblock verwenden, um Ihren ersten Quantenalgorithmus auszuführen: