Realistic simulation of universal multiport interferometers with losses within a Gaussian formalism
Questo articolo propone un formalismo gaussiano per simulare realisticamente interferometri multiport a componenti universali con perdite ottiche non uniformi, consentendo la caratterizzazione e la previsione accurata degli esiti di algoritmi quantistici su piattaforme fotoniche NISQ rumorose.
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Nella corsa alla costruzione di una macchina capace di risolvere problemi oltre la portata dei computer odierni, la luce è emersa come un principale contendente. A differenza di altri approcci che si affidano a minuscoli circuiti elettronici o atomi intrappolati, questi computer fotonici utilizzano singole particelle di luce, chiamate fotoni, per trasportare informazioni. Il vantaggio risiede nel modo naturale in cui la luce si comporta: viaggia velocemente, genera poco calore e può essere manipolata con specchi e lenti per eseguire calcoli complessi. Tuttavia, questo percorso è costellato da un singolo, persistente ostacolo: la perdita. Mentre i fotoni viaggiano attraverso i delicati canali di vetro di un chip computerizzato, alcuni inevitabilmente svaniscono, assorbiti dal materiale o dispersi nell'aria. Questa scomparsa non è solo un piccolo intoppo; è la barriera principale che impedisce a queste macchine di raggiungere il loro pieno potenziale. Per capire quanto siamo vicini a un dispositivo funzionante, gli scienziati devono essere in grado di simulare queste macchine su computer classici, ma farlo è incredibilmente difficile quando il sistema è imperfetto. Se una simulazione assume che la luce si comporti perfettamente, potrebbe prevedere un risultato che la macchina reale, difettosa, non potrà mai produrre.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo per modellare queste macchine imperfette, creando un progetto realistico di come la luce si comporta quando fuoriesce dal sistema. Il loro lavoro si concentra su un tipo specifico di computer ottico che utilizza una griglia di piccoli interferometri — dispositivi che dividono e ricombinano i fasci di luce — per elaborare informazioni. In un mondo ideale, questi dispositivi guiderebbero ogni fotone esattamente dove deve andare. In realtà, il vetro e le connessioni tra di essi sono imperfetti, causando la perdita di una frazione della luce ad ogni passaggio. I ricercatori si sono resi conto che cercare di tracciare ogni singolo fotone perso e l'ambiente in cui esso sfugge renderebbe la simulazione al computer troppo pesante da eseguire. Invece, hanno ideato un metodo per condensare tutte queste perdite in una forma matematica gestibile. Trattando l'intera rete di percorsi luminosi come un singolo sistema che interagisce con un ambiente semplificato, sono riusciti a calcolare lo stato finale della luce senza dover simulare le infinite possibilità dell'energia persa.
Il nucleo della loro scoperta è una tecnica che permette di prendere una rete complessa e disordinata di percorsi luminosi e descriverla utilizzando una mappa unica e unificata di come la luce cambia. Hanno dimostrato che anche quando la luce viene persa in modo non uniforme — ovvero, quando alcuni percorsi sono più sporchi o danneggiati di altri — l'effetto complessivo può essere catturato da un set specifico di numeri che descrivono la "sfocatura" o l'incertezza del sistema. Questo approccio funziona per due diversi modi di costruire questi computer: uno in cui la luce scorre attraverso molti fili paralleli contemporaneamente, e un altro in cui la luce viaggia in loop, rimbalzando avanti e indietro. I ricercatori hanno testato il loro metodo eseguendo migliaia di simulazioni su un computer classico, imitando il comportamento di questi dispositivi ottici sotto varie condizioni. Hanno scoperto che, sebbene il comportamento della luce sia effettivamente influenzato dalla specifica disposizione della macchina, il nuovo modello poteva prevedere accuratamente l'esito dell'esperimento, incluso il numero di fotoni rilevati alla fine.
Uno dei risultati più significativi di questo studio sfida una scorciatoia comune utilizzata dagli scienziati. Per anni, molti ricercatori hanno assunto che le perdite ottiche siano uniformi, ovvero che avvengano esattamente allo stesso ritmo in ogni parte della macchina, per rendere più semplici i loro calcoli. Il nuovo modello mostra che tale assunzione è spesso errata. In uno dei design comuni, dove la luce viaggia attraverso una maglia triangolare di componenti, le perdite non sono uniformi; variano a seconda di dove si trova la luce nella rete. I ricercatori hanno dimostrato che assumere perdite uniformi può portare a previsioni errate sull'output della macchina, specialmente man mano che la macchina diventa più grande. Al contrario, il loro nuovo modello, che tiene conto della natura specifica e non uniforme delle perdite, fornisce un quadro molto più accurato di ciò che la macchina farà realmente. Questo è cruciale perché, se gli scienziati vogliono costruire sistemi di correzione degli errori per riparare questi sbagli, devono prima sapere esattamente come sono fatti tali errori.
Il team ha anche esplorato come queste perdite influenzino il risultato finale di un calcolo noto come campionamento di bosoni gaussiani (Gaussian boson sampling), un compito progettato per dimostrare che i computer quantistici possono superare quelli classici. Hanno simulato il processo di invio di luce "squeezed" — uno stato speciale in cui l'incertezza della luce è ridotta in una direzione — attraverso una rete soggetta a perdite. Hanno osservato che, mentre la luce attraversa la macchina imperfetta, la probabilità di rilevare fotoni cambia drasticamente. Lo stato di vuoto, in cui non vengono rilevati fotoni, diventa molto più comune in un ambiente rumoroso rispetto a uno perfetto. Inoltre, hanno scoperto che il particolare schema delle perdite cambia la probabilità di rilevare determinati numeri di fotoni, rompendo la simmetria che esisterebbe in una macchina perfetta. Confrontando il loro modello realistico con l'assunzione semplificata di perdita uniforme, sono stati in grado di vedere esattamente dove i due divergono. La differenza aumenta all'aumentare del numero di percorsi luminosi e all'aumentare dell'entità della perdita, confermando che la visione semplificata è insufficiente per dispositivi su larga scala.
Questo lavoro fornisce uno strumento vitale per il futuro dell'informatica quantistica ottica. Offre un modo per prendere dati del mondo reale su come uno specifico chip perde luce e inserirli direttamente in una simulazione per vedere come un algoritmo quantistico si comporterebbe su quell'esatto hardware. Ciò significa che, invece di indovinare come si comporterà una macchina, gli ingegneri possono ora testare i loro progetti con un alto grado di realismo prima ancora che vengano costruiti. I ricercatori suggeriscono che questo framework può essere adattato a qualsiasi tipo di architettura ottica a variabili continue, che utilizzi percorsi spaziali o loop temporali. Caratterizzando accuratamente queste perdite, la comunità scientifica può avvicinarsi allo sviluppo di tecniche efficaci di correzione degli errori, che sono essenziali per costruire un computer quantistico tollerante ai guasti. Lo studio non pretende di aver risolto il problema della perdita di luce, ma ha fornito una mappa chiara e realistica del terreno, mostrando esattamente dove si trovano le insidie e come navigarle. Questa chiarezza è un passo necessario per trasformare la promessa teorica dell'informatica quantistica fotonica in una realtà pratica.
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