Électronique des ordinateurs quantiques vs. Photonique : De nouvelles puces vont changer l'équilibre

Comment aimeriez-vous accéder à des ressources informatiques quantiques programmables en Python et évolutives via le cloud ? La startup canadienne Xanadu a récemment annoncé un processeur qui permet ce type d'accessibilité dans le domaine de l'informatique quantique. Ce qui est encore plus intéressant, c'est comment ce type de processeur s'intégrera dans l'écosystème de l'informatique quantique et comment il tire parti de la photonique pour manipuler les qubits dans un ordinateur quantique.

Bien que 2021 se prépare à être l'année de l'IA, les avancées quantiques continuent de faire les gros titres, comme elles l'ont fait en 2020. Le 8 mars 2021, Phys.org a rapporté que la startup canadienne Xanadu et l'Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) ont annoncé un nouveau processeur programmable pour exécuter plusieurs algorithmes quantiques. Le rapport suit une publication révolutionnaire dans Nature, où les auteurs rapportent que leur processeur peut fonctionner à température ambiante. Ce processeur est unique par rapport aux avancées précédentes en informatique quantique que nous avons rapportées sur ce blog, où des signaux RF ou des lasers sont utilisés pour manipuler les qubits dans un système refroidi cryogéniquement.

La puce de Xanadu est unique en ce qu'elle fonctionne avec des photons, ou de la lumière, à des longueurs d'onde optiques. Dans le domaine du calcul quantique, les qubits supraconducteurs et les qubits piégés par ions ont été prédominants, et ces architectures de calcul sont utilisées dans les ordinateurs quantiques généralement grands. Cette nouvelle avancée de Xanadu marque une nouvelle victoire dans le portefeuille photonique, et il reste à voir si cela deviendra le nouveau standard pour le matériel informatique quantique.

La Photonique Démontre un Avantage Quantique

Cette nouvelle puce est unique en termes de taille physique, de fonctionnement et d'intégration dans un CI quantique ou processeur plus large. Nous commençons à voir les CI quantiques suivre la même progression d'échelle et d'intégration que les CI électroniques ont connue au cours des 50 dernières années. Un schéma montrant l'architecture du processeur de Xanadu est présenté ci-dessous. Cette puce est entièrement photonique ; la lumière de pompe (données d'entrée) est introduite dans le circuit à l'aide de fibre par un coupleur E/S. La sortie de la puce peut ensuite être lue à partir d'un coupleur de sortie et envoyée à un détecteur super refroidi.

L'architecture présentée ci-dessus utilise des cavités à résonateur annulaire à l'entrée pour piéger les photons dans des états quantiques hautement cohérents, connus sous le nom d'états « compressés », qui sont stockés à température ambiante. À mi-chemin entre les entrées et les sorties, des diviseurs de faisceau et des déphaseurs sont reliés par des guides d'ondes pour créer des interféromètres quantiques programmables. Cela permet le mélange programmable des états à mesure que les photons d'entrée se propagent vers la sortie. Enfin, un module de contrôle électronique classique est utilisé pour recevoir les entrées de l'utilisateur et configurer chaque diviseur de faisceau et déphaseur dans le réseau.

Avantages

Cette architecture est très puissante et offre plusieurs avantages par rapport aux qubits d'ions piégés et aux qubits supraconducteurs :

• Opération multi-photons : La version actuelle reçoit des données de la fibre, mais la largeur du bus pourrait être étendue pour permettre un ou plusieurs flux de données parallèles.
• Faibles pertes : La structure du résonateur annulaire et la structure du guide d'ondes confinent naturellement la lumière grâce à la réflexion totale interne. C'est un grand avantage par rapport aux autres ordinateurs quantiques concurrents, qui sont très sujets aux pertes.
• Température ambiante : Les ordinateurs quantiques utilisant des qubits supraconducteurs et des qubits piégés par ions doivent fonctionner à des températures cryogéniques. Cela est en partie pour prévenir la décohérence (perte de l'état quantique d'un qubit) et en partie pour garantir que les interconnexions et les qubits restent supraconducteurs/piégés. Pouvoir fonctionner à température ambiante élimine le besoin de systèmes de refroidissement complexes ou de configurations de refroidissement laser précises pour s'assurer que les états des qubits ne sont pas perdus.
• Programmable : L'appareil possède une architecture simple qui peut être configurée avec une bibliothèque Python. C'est un grand avantage pour la scalabilité et l'intégration ; j'en discuterai plus en détail ci-dessous.
• Très évolutif : L'un des principaux facteurs limitants des ordinateurs quantiques standards, tels que ceux basés sur des cavités résonatrices à micro-ondes avec des ions piégés, est leur évolutivité. Construire tout sur une puce planaire rend ces dispositifs beaucoup plus évolutifs, et permet éventuellement leur intégration dans des architectures CI standards (2D, 2.5D ou 3D).
• Plateforme en silicium : Utiliser le silicium comme plateforme photonique aide à l'évolutivité car ces puces pourraient être implémentées dans un processus CMOS. L'intégration de sources lumineuses et de détecteurs sur la puce reste un défi, et l'intégration sur une carte peut nécessiter des styles d'interconnexion uniques pour fournir et collecter la lumière.

Notez que seul le chip fonctionne à température ambiante ; le détecteur et le côté lecture du système fonctionnent encore à une température super-refroidie, mais le système est un pas dans la bonne direction. L'aspect le plus important de ce système est que sa scalabilité peut, en théorie, permettre l'avantage quantique.

Avantage Quantique

Le terme « avantage quantique » signifie simplement qu'un certain ordinateur quantique est capable d'effectuer des calculs qui sont intractables avec un ordinateur classique. La capacité à effectuer des calculs avec plusieurs entrées et sorties en parallèle ne rend pas seulement le système scalable, elle permet effectivement l'avantage quantique. À mesure que le nombre de ports d'entrée augmente, le nombre d'états possibles augmente également, ce qui augmenterait le temps qu'un ordinateur classique nécessiterait pour simuler toutes les valeurs possibles aux ports de sortie.

"Bonjour le monde!" sur le Cloud Quantique

Ce nouveau processeur quantique est maintenant disponible pour un accès public sur la plateforme cloud de Xanadu, et les développeurs peuvent déployer leurs propres algorithmes quantiques en utilisant PennyLane, la bibliothèque Python de l'entreprise pour le développement informatique quantique. C'est une autre étape dans la bonne direction pour le calcul quantique généraliste et scalable : le développement d'une pile logicielle pour construire des applications quantiques dans des langages de programmation populaires.

Si vous souhaitez déployer votre propre programme sur le cloud de Xanadu, vous devrez demander l'accès. En supposant que vous ayez accès, vous pouvez utiliser leur bibliothèque avec le bloc de code suivant pour exécuter votre premier algorithme quantique :

Alors, qu'est-ce que cela signifie pour les concepteurs de PCB ? Si nous voulons construire des systèmes petits et légers avec des processeurs quantiques, nous ne pouvons pas nous permettre d'avoir de grandes sources lumineuses et des détecteurs sur la carte juste pour interfacer avec une puce quantique. Réduire la taille du système, jusqu'au point où un processeur quantique peut être monté sur un PCB, nécessite d'intégrer les sources lumineuses et les détecteurs pour ces systèmes au niveau du die.

Maintenant, avec ces capacités accessibles dans le cloud, imaginez pouvoir avoir un dispositif embarqué qui envoie des données à un ordinateur quantique connecté au cloud dans le cadre d'une application plus large. Les possibilités sont stupéfiantes, et nous ne pouvons qu'espérer que l'architecture de Xanadu se fraye un chemin jusqu'au niveau du dispositif.

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