Superpozycja operacji zwiększy wydajność komputerów kwantowych
Zasada działania przełączników kwantowych jest prosta. Wyobraźmy sobie, że musimy przeprowadzić obliczenia wykorzystujące dwa operatory (A oraz B). Zamiast wybierać kolejność operatorów pomiędzy AB i BA, przełącznik kwantowy pozwala na jednoczesne wykonanie obu operacji dzięki superpozycji, co znacząco przyspiesza obliczenia. Obecnie jest to jedna z najbardziej obiecujących ścieżek rozwoju komputerów kwantowych. Obecnie komputery kwantowe zwiększają szybkość i wydajność obliczeń dzięki ustawianiu bitów kwantowych (kubitów) w nakładających się stanach, zaś mechanika kwantowa pozwala nam pójść o krok dalej, umożliwiając nakładanie zarówno stanów, jak i operacji. W praktyce pozwala to na wykonywanie zadań przy pomocy mniejszej liczby operacji niż przy użyciu jakiegokolwiek innego znanego algorytmu kwantowego.
Bardziej złożone niż A, B i C
Co stanie się w przypadku, gdy liczba operatorów wzrośnie do trzech? Obliczenia robią się znacznie bardziej złożone. „Biorąc pod uwagę sytuację, w której występują trzy operatory – A, B i C – mamy do dyspozycji znacznie więcej opcji. Powinniśmy połączyć kolejności ABC i ACB? A może tylko CBA i ABC? Łącznie istnieje 57 opcji”, opowiada Nadia Belabas, koordynatorka projektu InCaSQuC z ramienia C2N – wspólnego laboratorium CNRS oraz Uniwersytetu Paris Saclay. Belabas nawiązała współpracę z Lorenzo Procopio, stypendystą programu „Maria Skłodowska-Curie”, aby osiągnąć taką skalowalność. Badacze skupili się na badaniu możliwości zintegrowanych i światłowodowych układów optycznych, umożliwiających zbudowanie przełącznika kwantowego, dzięki któremu możliwe będzie przeprowadzenie więcej niż dwóch operacji. „Mówimy o złożonym układzie kwantowym, który łączy w sobie kwantowe źródło światła z operatorami A, B i C. Układ powinien być w stanie realizować i przełączać się między różnymi możliwymi ścieżkami zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Z eksperymentalnego punktu widzenia opracowanie takiego układu stwarza trudności podobne do każdego innego układu wykorzystującego światło kwantowe – konieczność poradzenia sobie ze stratami”, wyjaśnia Procopio. Pierwsze osiągnięcie projektu InCaSQuC opiera się na teoretycznym wykazaniu złożonych warunków, w których przełącznik kwantowy musi obsłużyć więcej niż dwie operacje. W kontekście komunikacji kwantowej zespół rozwinął pionierskie badania przeprowadzone przez Giulio Chiribellę, który wykazał, że umieszczenie dwóch pełnych zakłóceń kanałów w nieokreślonym porządku pozwoliło na przekazywanie informacji – jest to zjawisko, które na pierwszy rzut oka wymyka się intuicji. „Wykazaliśmy, że zjawisko to jest silniejsze, kiedy następuje nałożenie wszystkich możliwych układów trzech kanałów, jednak występuje ono również wówczas, gdy wykorzystujemy mniejszą liczbę układów”, wskazuje Procopio.
Inspirująca fotonika krzemowa
W celu realizacji tych pomysłów, zespół skupiony wokół projektu zainspirował się niedawnymi postępami w dziedzinie fotoniki krzemowej. „Fotonika krzemowa to dojrzała technologia, wykorzystywana zarówno w aktywnych, jak i pasywnych urządzeniach”, wyjaśnia Belabas. „Nawiązaliśmy ścisłą współpracę z zespołami C2N oraz InPhyNi, które zajmują się opracowywaniem najnowocześniejszych filtrów oraz źródeł na potrzeby telekomunikacji. Jesteśmy przede wszystkim żywo zainteresowani wysokim wymiarem przestrzeni częstotliwości, którego wykorzystanie umożliwia zastosowanie tych źródeł”. Pomimo tego, że docelowo wszystkie funkcje mogą zostać zrealizowane w ramach układów, a wytwórnie są w stanie dostarczać wysokiej jakości próbki, podejście wykorzystane w ramach projektu InCaSQuC wyróżnia się tym, że jego założenia można zrealizować przy pomocy dostępnych na rynku urządzeń telekomunikacyjnych. Jak wyjaśnia Procopio: „Krzem jest w tym wypadku zdecydowanie obiecującym kierunkiem rozwoju, jednak chcemy przede wszystkim skupić się na wdrożeniu nieokreślonego porządku przyczynowego niezależnie od platformy”. Obecnie, na trzy miesiące przed zaplanowanym zakończeniem, projekt wchodzi w swoją najważniejszą fazę, a najbliższa przyszłość pokaże, czy uda się doświadczalnie udowodnić opracowane założenia. Jak wyjaśnia Belabas, w pełni skalowalna realizacja przełącznika kwantowego na potrzeby scenariuszy zakładających wiele operacji stanowi duże wyzwanie nawet poza czasem globalnej pandemii. „Musimy kontrolować wiele parametrów doświadczenia, a zarazem mieć oko na łączne straty każdego elementu. Jeśli będziemy w stanie wykazać obecność kluczowych elementów, wśród których można wymienić kodowane częstotliwościowo operacje kwantowe na odpowiednio jasnych źródłach, postawimy ważny krok na drodze do skalowalnych, zintegrowanych i światłowodowych przełączników kwantowych”, dodaje badaczka. Jeśli doświadczenie będzie miało miejsce, superpozycja operatorów niewątpliwie stanie się jedną z ważniejszych możliwości wykorzystywanych przez komputery kwantowe przyszłości.
Słowa kluczowe
InCaSQuC, superpozycja, komputer kwantowy, mechanika kwantowa, przełącznik kwantowy, wielooperacyjność
