Realistic simulation of universal multiport interferometers with losses within a Gaussian formalism

In de race om een machine te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, is licht opgekomen als een belangrijke kandidaat. In tegenstelling tot andere benaderingen die vertrouwen op minuscule elektronische circuits of gevangen atomen, gebruiken deze fotonische computers individuele lichtdeeltjes, genaand fotonen, om informatie te dragen. Het voordeel ligt in de manier waarop licht zich natuurlijk gedraagt; het reist snel, genereert weinig warmte en kan met spiegels en lenzen worden gemanipuleerd om complexe berekeningen uit te voeren. Dit pad is echter gehinderd door één hardnekkige hindernis: verlies. Terwijl fotonen door de delicate glazen kanalen van een computerchip reizen, verdwijnen er onvermijdelijk enkele, geabsorbeerd door het materiaal of verstrooid in de lucht. Dit verdwijnen is niet slechts een kleine storing; het is de primaire barrière die voorkomt dat deze machines hun volledige potentieel bereiken. Om te begrijpen hoe dicht we bij een werkend apparaat zijn, moeten wetenschappers deze machines op klassieke computers kunnen simuleren, maar dat is extreem moeilijk wanneer het systeem imperfect is. Als een simulatie ervan uitgaat dat het licht perfect gedraagt, kan het een resultaat voorspellen dat de echte, gebrekkige machine nooit kan produceren.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze imperfecte machines te modelleren, waardoor een realistisch blauwdruk is gecreëerd voor hoe licht zich gedraagt wanneer het uit het systeem lekt. Hun werk richt zich op een specifiek type optische computer dat een rooster van minuscule interferometers gebruikt — apparaten die lichtstralen splitsen en weer combineren om informatie te verwerken. In een ideale wereld zouden deze apparaten elk foton precies sturen waar het naartoe moet. In de werkelijkheid zijn het glas en de verbindingen tussen hen imperfect, wat ervoor zorgt dat een fractie van het licht bij elke stap verloren gaat. De onderzoekers realiseerden zich dat het proberen te volgen van elk afzonderlijk verloren foton en de omgeving waar het in ontsnapt, de computersimulatie te zwaar zou maken om uit te voeren. In plaats daarvan bedachten ze een methode om al deze verliezen te condenseren in een beheersbare wiskundige vorm. Door het gehele netwerk van lichtpaden te behandelen als een enkel systeem dat interageert met een vereenvoudigde omgeving, konden ze de eindtoestand van het licht berekenen zonder de oneindige mogelijkheden van de verloren energie te hoeven simulëren.

De kern van hun ontdekking is een techniek waarmee ze een complex, rommelig netwerk van lichtpaden kunnen nemen en dit kunnen beschrijven met een enkele, verenigde kaart van hoe het licht verandert. Ze toonden aan dat zelfs wanneer het licht ongelijkmatig verloren gaat — wat betekent dat sommige paden vuiler of meer beschadigd zijn dan andere — het algemene effect kan worden vastgelegd door een specifieke set getallen die de "wazigheid" of onzekerheid van het systeem beschrijven. Deze aanpak werkt voor twee verschillende manieren om deze computers te bouwen: één waarbij licht tegelijkertijd door veel parallelle draden stroomt, en een andere waarbij licht in lussen reist en heen en weer stuitert. De onderzoekers testten hun methode door duizenden simulaties uit te voeren op een klassieke computer, waarbij het gedrag van deze optische apparaten onder verschillende omstandigheden werd nagebootst. Ze ontdekten dat hoewel het gedrag van het licht inderdaad wordt beïnvloed door de specifieke lay-out van de machine, het nieuwe model de uitkomst van het experiment nauwkeurig kon voorspellen, inclusief de waarschijnlijkheid van het detecteren van specifieke aantallen fotonen aan het einde.

Een van de meest significante bevindingen van deze studie daagt een veelgebruikte afkorting uit die door wetenschappers wordt gebruikt. Jarenlang hebben veel onderzoekers aangenomen dat optische verliezen uniform zijn, wat betekent dat ze in elk deel van de machine met exact dezelfde snelheid optreden, om hun berekeningen eenvoudiger te maken. De nieuwe simulaties laten zien dat deze aanname vaak onjuist is. In een van de veelvoorkomende ontwerpen, waarbij licht door een driehoekig mesh van componenten reist, zijn de verliezen niet uniform; ze variëren afhankelijk van waar het licht zich in het netwerk bevindt. De onderzoekers toonden aan dat het aannemen van uniforme verliezen kan leiden tot verkeerde voorspellingen over de output van de machine, vooral naarmate de machine groter wordt. In contrast hiermee biedt hun nieuwe model, dat rekening houdt met de specifieke, ongelijkmatige aard van de verliezen, een veel nauwkeuriger beeld van wat de machine daadwerkelijk zal doen. Dit is cruciaal omdat als wetenschappers foutcorrectiesystemen willen bouwen om deze fouten te herstellen, ze eerst precies moeten weten hoe de fouten eruitzien.

Het team onderzocht ook hoe deze verliezen de uiteindelijke uitkomst van een berekening beïnvloeden die bekend staat als Gaussian boson sampling, een taak die is ontworpen om te bewijzen dat kwantumcomputers kunnen presteren beter dan klassieke computers. Ze simuleerden het proces van het sturen van "squeezed light" — een speciale staat waarin de onzekerheid van het licht in één richting is verminderd — door een verliesrijk netwerk. Ze observeerden dat terwijl het licht door de imperfecte machine reist, de waarschijnlijkheid van het detecteren van fotonen dramatisch verschuift. De vacuümtoestand, waarbij geen fotonen worden gedetecteerd, wordt in een ruisige omgeving veel gebruikelijker dan in een perfecte omgeving. Bovendien ontdekten ze dat het specifieke patroon van verliezen de waarschijnlijkheid van het detecteren van bepaalde aantallen fotonen verandert, waardoor de symmetrie die in een perfecte machine zou bestaan, wordt doorbroken. Door hun realistische model te vergelijken met de vereenvoudigde aanname van uniform verlies, konden ze precies zien waar de twee uiteenlopen. Het verschil wordt groter naarmate het aantal lichtpaden toeneemt en naarmate het verlies erger wordt, wat bevestigt dat het vereenvoudigde beeld onvoldoende is voor grootschalige apparaten.

Dit werk biedt een essentieel instrument voor de toekomst van de optische kwantumcomputer. Het biedt een manier om real-world data over hoe een specifieke chip licht verliest, direct in een simulatie te stoppen om te zien hoe een kwantumalgoritme op die exacte hardware zou presteren. Dit betekent dat ingenieurs, in plaats van te gokken hoe een machine zal reageren, hun ontwerpen nu met een hoge mate van realisme kunnen testen voordat ze zelfs gebouwd zijn. De onderzoekers suggereren dat dit kader kan worden aangepast aan elk type continuous-variable optische architectuur, of het nu gaat om ruimtelijke paden of tijdgebaseerde lussen. Door deze verliezen nauwkeurig te karakteriseren, kan de wetenschappelijke gemeenschap dichter bij het ontwikkelen van effectieve foutcorrectietechnieken komen, die essentieel zijn voor het bouwen van een fouttolerante kwantumcomputer. De studie beweert niet het probleem van lichtverlies te hebben opgelost, maar heeft een heldere, realistische kaart van het terrein geleverd, die precies laat zien waar de valkuilen liggen en hoe men erdoorheen kan navigeren. Deze helderheid is een noodzakelijke stap om de theoretische belofte van fotonische kwantumcomputertechnologie om te zetten in een praktische realiteit.