A full-stack analog optical quantum computing platform with one hundred inputs

본 논문은 100 개의 입력, 100 MHz 클록 주파수, 오픈 소스 SDK 가 탑재된 클라우드 기반 인터페이스를 특징으로 하는 고속 프로그래머블 연속 변수 광 양자 컴퓨팅 플랫폼을 제시하며, 101 개의 모드에 걸친 다단계 텔레포테이션과 프로그래머블 라우팅을 통해 확장 가능한 능력을 입증합니다.

핵심

상상해 보세요.tiny 전자 스위치 (스마트폰이나 노트북과 같은) 가 아닌 빛의 빔으로 정보를 처리하는 초고속, 초정밀 공장이 있습니다. 이 논문은 한 번에 100 개의 서로 다른 정보 스트림을 처리할 수 있으며, 초당 1 억 단계의 속도로 작동하는 이"빛 공장"의 새로운 대규모 버전을 설명합니다.

연구자들이 무엇을 구축했는지 그리고 그것이 어떻게 작동하는지 간단한 비유를 통해 살펴보겠습니다.

1. 핵심 아이디어: 나선형 위의"빛 기차"

오늘날 대부분의 양자 컴퓨터는 차 (데이터) 가 차례를 기다려야 하는 단일 차선 도로와 같습니다. 반면 이 새로운 시스템은 100 대의 차가 동시에 나란히 달릴 수 있는 거대한 다차선 고속도로와 같습니다.

• 궤도: 연구자들은"시간 영역 다중화"라는 기술을 사용합니다. 단일 열차 선로라고 상상해 보세요. 하지만 하나의 기차 대신 미세한"빛 패킷 (마이크로노드)"이 연속적인 스트림으로 질주합니다.
• 나선형: 이 빛 패킷들은 실린더 위에서 나선형 패턴 (헬릭스) 으로 배열됩니다. 연구자들은 **101 개의 정거장 (마이크로노드)**으로 구성된 루프를 만들었습니다. 이는 101 개의 서로 다른 빛 스트림이 거대한 얽힘의 그물망으로 서로 연결된 나선형 슬라이드와 같습니다.
• 속도: 이 시스템은 100 MHz로 작동합니다. 이를 쉽게 이해하자면, 표준 컴퓨터가 달팽이라면 이는 제트기입니다. 이 시스템은 매초 1 억 번씩 빛 빔에 두 가지 연산을 수행합니다.

2."클라우드"제어실

양자 컴퓨팅에서 가장 큰 장애물 중 하나는 일반적으로 프로그래밍이 너무 어려워 소수의 전문가만 접근할 수 있다는 점입니다. 이 팀은 공장용 원격 제어기와 같은 사용자 친화적인 클라우드 인터페이스를 구축했습니다.

• 소프트웨어 (mqc3): 그들은 사용자가 파이썬 (일반적인 코딩 언어) 을 사용하여 양자 회로를 설계할 수 있게 하는 무료 소프트웨어 도구 (SDK) 를 개발했습니다.
• 마법: 노트북에서"회로"를 그리면 소프트웨어가 이를 빛 공장이 필요로 하는 구체적인 설정으로 자동으로 변환합니다. 레이저 정렬이나 거울 보정 방법을 알 필요 없이, 컴퓨터에 무엇을 하고 싶은지 말하기만 하면 나머지 무거운 작업은 시스템이 처리합니다.

3."순간 이동"테스트

기계가 작동하는 것을 증명하기 위해 그들은 단순한 계산을 실행하는 대신 100 단계의"순간 이동"릴레이 경주를 수행했습니다.

• 경주: 그들은 101 개의 서로 다른 빛 신호를 공장 안으로 보내 한 정거장에서 다음 정거장으로 전달하는 과정을 1,000 번 연속으로 반복했습니다.
• 결과: 보통 1,000 명을 거쳐 섬세한 메시지를 전달하면 노이즈로 인해 메시지가 왜곡됩니다. 하지만 이 시스템이 매우 잘 보정되어 있기 때문에 신호는 선명하게 유지되었습니다. 1,000 단계 이후에도"양자성 (빛 빔 간의 특별한 연결)"이 여전히 온전하게 남아 있어, 이 기계가 길고 복잡한 작업을 수행하기에 충분히 안정적임을 입증했습니다.

4."정렬 기계" (라우팅)

연구자들은 또한 이 시스템이 지능형 교통 경찰처럼 작동할 수 있음을 보여주었습니다.

• 과제: 101 대의 차가 어떤 것은 빠르고 어떤 것은 느린 무작위 순서로 회전교차로에 도착한다고 상상해 보세요.
• 해결책: 이 시스템은 각 빛 신호의"진폭 (밝기/크기)"을 확인하고 그들을 재배열할 수 있습니다. 이 101 개의 무작위 신호를 가져와서 완벽하게 정렬된 순서 (가장 작은 것에서 가장 큰 것, 또는 그 반대로) 로 출력되도록 할 수 있습니다.
• 중요성: 이는 기계가 프로그래밍 가능함을 입증합니다. 이는 고정된 계산기가 아니라, 복잡한 알고리즘을 실행하는 데 필수적인 대로 데이터를 이동하도록 지시할 수 있는 기계라는 뜻입니다.

5. 현재 할 수 있는 것과 할 수 없는 것

이 논문은 현재의 한계를 매우 명확하게 밝히고 있습니다.

• 할 수 있는 것: 이는 가우스 연산의 달인입니다. 이는 빛 파동의"기본 수학 (회전, 늘이기, 혼합 등)"이라고 생각하면 됩니다. 이러한 작업에 대해 이 시스템은 놀라울 정도로 빠르고 확장 가능합니다.
• 아직 할 수 없는 것: 완전히 범용적인 양자 컴퓨터에 필요한"비가우스"마법 (고전 컴퓨터가 해결할 수 없는 특정 복잡한 문제 해결 등) 은 아직 수행하지 못합니다. 또한 완전한 오류 수정 기능도 아직 갖추지 않았습니다 (오류가 너무 빠르게 쌓이지 않도록 시스템이 매우 정밀하다는 점에 의존합니다).

결론

이 논문은 100 개의 입력을 가진 대규모, 초고속, 클라우드 접속 가능한 광학 양자 컴퓨터를 제시합니다. 이는 거대한 데이터를 충돌 없이 처리할 수 있을 정도로 빠르고 잘 조직화된 빛을 위한 고속도로 시스템을 구축한 것과 같습니다. 이는 세상의 모든 문제를 해결하는"최종"양자 컴퓨터는 아니지만, 중요한 디딤돌입니다. 이는 안정적이고 빠르며 사람들이 쉽게 프로그래밍할 수 있는 대규모 아날로그 양자 시스템을 구축할 수 있음을 입증하여, 머신러닝 및 최적화 분야에서의 미래 혁신을 위한 길을 닦고 있습니다.

기술 요약

기술 요약: 100 개 입력을 갖춘 풀스택 아날로그 광학 양자 컴퓨팅 플랫폼

문제 제기
광학 기술은 높은 대역폭과 상온 작동으로 인해 대규모 초고속 양자 컴퓨팅에 막대한 잠재력을 제공하지만, 프로그래밍 가능하고 확장 가능한 시스템을 구현하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있습니다. 이전의 시간 영역 다중화 측정 기반 양자 컴퓨팅 (MBQC) 시스템은 낮은 클록 주파수 (예: 25 MHz 및 4 MHz) 와 제한된 입력 모드 수 (단일 모드 또는 6 개 모드) 에 의해 제약받았습니다. 이러한 제한은 주로 광학 파라메트릭 발진기 (OPA) 의 대역폭에서 비롯되었으며, 복잡한 다단계 양자 회로의 구현을 방해하고 신경망이나 대규모 최적화와 같은 실용적 응용에 필요한 수백 개의 모드로 시스템이 확장되는 것을 막았습니다. 또한, 사용자 친화적인 소프트웨어 도구의 부재로 인해 임의의 양자 회로를 하드웨어 매개변수로 컴파일하는 작업이 번거로웠습니다.

방법론
저자들은 연속 변수 (CV) 가우스 연산에 기반한 풀스택 아날로그 광학 양자 컴퓨팅 플랫폼을 제시합니다. 이 시스템은 시간 내에 공존하는 네 개의 광학 파동 패킷 (마이크로노드) 이 하나의 마크로노드를 형성하는 시간 영역 다중화 4 레일 격자 (QRL) 클러스터 상태를 활용합니다. 이러한 마크로노드들은 실린더 표면에 2 차원 나선형 격자 구조를 형성하도록 상호 연결됩니다.

• 하드웨어 아키텍처: 이 시스템은 6 THz 대역폭을 가진 초광대역 광학 파라메트릭 증폭기 (OPA) 를 사용하여 100 MHz 클록 주파수 (2 모드 연산의 속도) 를 가능하게 합니다. 설정에는 OPA 에 의해 생성된 네 개의 압축 진공 상태가 포함되며, 이는 50:50 빔 스플리터와 광학 지연선 (하나는 $\Delta t$의 짧은 지연, 다른 하나는 $N\Delta t$의 긴 지연이며 여기서 $N=101$) 을 통해 처리됩니다. 이를 통해 101 개의 입력 마이크로노드를 가진 클러스터 상태가 생성됩니다.
• 작동 메커니즘: 연산은 마크로노드의 순차적 측정을 통해 수행됩니다. 측정 각도 ($\theta_j$) 를 조정하고 측정된 데이터에 디지털 방식으로 구현된 피드포워드 연산을 적용함으로써 임의의 다중 모드 가우스 연산이 실현됩니다. 이 시스템은 명시적인 오류 정정 없이 작동하며, 대신 신중한 보정과 반복된 시도를 통해 누적된 가우스 노이즈와 부수적인 편향을 억제합니다.
• 소프트웨어 및 인터페이스: 수동 컴파일의 어려움을 해결하기 위해 저자들은 오픈 소스 Python 소프트웨어 개발 키트 (SDK) 인 mqc3를 개발했습니다. 이 도구를 사용하면 사용자가 양자 회로를 설계할 수 있으며, 이는 자동으로 그래프 표현으로 컴파일되어 기계 매개변수 (측정 각도) 로 변환됩니다. 클라우드 기반 인터페이스 (AWS 호스팅) 를 통해 원격 접근이 가능하여 사용자는 하위 하드웨어에 대한 깊은 지식 없이도 작업을 제출하고 결과를 검색할 수 있습니다.

주요 기여

1. 확장성과 속도: 100 개 입력 모드로 100 MHz 클록 주파수에서 작동하는 프로그래밍 가능한 가우스 양자 컴퓨팅 플랫폼의 시연으로, 이전의 25 MHz/1 모드 또는 4 MHz/6 모드 시스템에서 큰 도약을 이루었습니다.
2. 풀스택 통합: 고성능 하드웨어 레이어를 사용자 친화적인 오픈 소스 소프트웨어 스택 (mqc3) 과 클라우드 인터페이스와 통합하여 더 넓은 범위의 연구자들이 플랫폼에 접근할 수 있도록 했습니다.
3. 다단계 검증: 101 모드, 100 단계 병렬 양자 텔레포테이션의 성공적 수행으로, 양자 상관관계를 유지하면서 심층 회로를 처리할 수 있는 시스템의 능력을 입증했습니다.
4. 프로그래밍 가능한 라우팅: 무작위 진폭을 가진 101 개의 양자 모드를 오름차순 또는 내림차순으로 재배열할 수 있는 프로그래밍 가능한 라우팅 함수를 구현하여 확률적 자원을 관리하는 시스템의 유연성을 검증했습니다.

결과

• 단일 모드 및 2 모드 연산: 이 시스템은 다양한 단일 모드 연산 (텔레포테이션, 회전, 압축, 전단) 과 2 모드 연산 (일반화된 제어-Z, 빔 스플리터) 을 성공적으로 구현했습니다. 실험적으로 재구성된 변환 행렬은 이론적 예측과 높은 일치도를 보였으며, 정규화된 프로베니우스 노름 차이는 단일 모드 연산의 경우 약 4.9%, 2 모드 연산의 경우 5.2% 였습니다.
• 양자성 검증: 텔레포테이션 단계 후 얽힘이 검증되었습니다. 노이즈로 인해 상관관계가 초기 -4 dB 에서 -5 dB (nullifier 수준) 에서 약 -1.5 dB 로 저하되었지만, 상관관계는 여전히 샷 노이즈 한계 아래에 남아 연산의 양자적 성질을 확인시켰습니다.
• 다단계 텔레포테이션: 1,000,000 회 반복된 101 입력 병렬 텔레포테이션 실험에서 텔레포테이션 이득은 1,000 단계까지 1 을 유지했습니다. 노이즈 파워는 단계 수에 따라 선형적으로 증가했지만, 1,000 단계 시퀀스 전체에 걸쳐 고전적 기준 (진공 상태 한계) 보다 훨씬 낮게 유지되었습니다.
• 나선형 텔레포테이션: 단일 모드를 추적하는 "나선형" 텔레포테이션 실험은 시스템이 약 10,000 단계까지 이론 모델과 일관성을 유지할 수 있음을 보여주었으며, 그 이후에는 얽힘 고갈 및 기술적 오프셋이 정밀도를 제한하기 시작했습니다.
• 라우팅 시연: 플랫폼은 101 개의 무작위 이동된 입력 모드를 오름차순과 내림차순으로 특정 출력 포트에 성공적으로 라우팅하여 복잡하고 대규모인 회로 실행의 신뢰성을 확인했습니다.

의의 및 주장
저자들은 이 플랫폼을 확장 가능한 아날로그 양자 정보 처리의 중요한 이정표로 위치시킵니다. 그들은 이 시스템이 GKP 큐비트와 같은 비가우스 자원의 향후 통합 및 대규모 광학 신경망 개발을 위한 견고한 테스트베드를 제공한다고 주장합니다. 이 플랫폼은 처리 속도, 시간 영역 다중화를 통한 확장성, 그리고 극저온 요구 사항의 부재 측면에서 큐비트 기반 디지털 플랫폼에 비해 뚜렷한 장점을 제공하며, 최적화, 머신러닝, 양자 시뮬레이션과 같은 실용적 응용을 위한 단기 테스트베드로 설명됩니다. 저자들은 현재 시스템이 가우스 연산으로 제한되어 있지만, 입증된 아키텍처는 고품질 GKP 큐비트와 비선형 피드포워드의 잠재적 통합을 통해 향후 오류 허용 범용 양자 컴퓨팅의 요구 사항과 호환된다고 지적합니다. 이 연구는 기존 전자 대역폭 및 광학 지연 관리의 발전을 활용하여 더 높은 클록 주파수 (잠재적으로 10 GHz) 와 더 큰 모드 수 (최대 10,000 개 입력) 로 확장하기 위한 기반을 마련합니다.