- Um estudo publicado recentemente no arXiv explora o uso de “injeção de estado” como forma de melhorar a controlabilidade e flexibilidade de circuitos fotônicos para computação quântica mais avançada.
- Os pesquisadores sugerem que esta abordagem pode superar os algoritmos clássicos em certas tarefas de aprendizado de máquina, mostrando-se promissora para aplicações de computação quântica de curto prazo.
- À medida que a tecnologia quântica avança, este método reduz a complexidade do experimento e requer menos recursos em comparação com técnicas dinâmicas.
Os pesquisadores propuseram um novo sistema para o desenvolvimento de dispositivos quânticos fotônicos, usando um conceito chamado State Injection (SI), segundo o estudo.
O trabalho do grupo, publicado no servidor de pré-impressão arXiv, sugere que SI permite que sistemas quânticos superem as limitações dos modelos de óptica linear tradicionais, fornecendo uma forma de expandir a expressão da matemática quântica, especialmente para tarefas computacionalmente intensivas em sistemas clássicos.
Também poderia servir como um passo em direção a vantagens quânticas para certas operações, acrescentam os pesquisadores no artigo.
Expandindo o poder quântico por injeção de estado
Segundo o grupo, o desenvolvimento do SI, método de computação quântica envolvendo circuitos ópticos lineares, é a principal contribuição do trabalho. Os circuitos de linha de visão são sistemas de mudança de fótons que usam componentes básicos, como divisores de feixe e deslocadores de fase, que dependem da mudança de linha sem alterar as condições dos fótons. Esses circuitos são essenciais para um computador quântico para processar informações quânticas, mas seu poder é limitado sem interações diretas, o que restringe a complexidade das operações que podem realizar.
SI permite que novos estados quânticos sejam injetados em um circuito com base nos resultados das medições, tornando os modelos quânticos mais gerenciáveis e precisos. Este novo método é muito importante porque não requer reconfiguração do circuito em tempo real, o que é uma limitação importante dos métodos existentes, como a Óptica Linear Adaptativa (ALO).
Os pesquisadores também sugerem que a SI poderia aumentar o poder das máquinas quânticas, permitindo-lhes resolver problemas computacionais atualmente insolúveis pelos computadores clássicos, especialmente em tarefas de aprendizado de máquina que dependem de estimativa de probabilidade. Este trabalho fornece avanços teóricos e práticos, mostrando como esta abordagem pode preencher a lacuna entre máquinas quânticas de campo próximo e computadores quânticos totalmente tolerantes a falhas.
Dispositivos fotônicos quânticos e suas limitações
A computação quântica há muito promete vantagens significativas sobre a computação clássica, mas, por enquanto, os cientistas ainda estão trabalhando para alcançar sistemas quânticos universais e tolerantes a falhas. Um dos campos mais promissores da computação quântica são os sistemas fotônicos, que utilizam partículas de luz (fótons) para realizar cálculos quânticos. No entanto, o estado atual dos dispositivos quânticos fotônicos enfrenta vários desafios, incluindo a necessidade de flexibilidade operacional baseada em escala e acesso a um grande número de modos e fótons coerentes.
Modelos quânticos substanciais, como Amostragem de Bósons e Amostragem de Bósons Gaussianos, mostraram-se promissores no fornecimento de ganhos computacionais moderados. No entanto, a gama de problemas que podem ser resolvidos é limitada e a escalabilidade destes sistemas continua a ser um obstáculo.
Injeção de estado como um dispositivo quântico não linear
Os pesquisadores propõem que o SI forneça uma solução eficaz para melhorar o desempenho de dispositivos fotônicos quânticos – ou sua capacidade de representar e processar informações complexas – sem a necessidade de processamento complexo em tempo real. Em um circuito óptico linear típico, um estado de entrada, geralmente um estado Fock, é processado através de uma série de operações únicas, e medições dinâmicas são feitas ao longo do caminho. SI introduz a capacidade de medir certos modos e então reinjetar estados quânticos no sistema com base nos resultados dessas medições, criando efetivamente um ciclo de feedback que melhora a sensibilidade do circuito.
SI difere do esquema de Óptica Linear Adaptativa (ALO) porque não exige que o circuito seja reinicializado após cada medição. Em vez disso, os parâmetros de desempenho da junta são predefinidos, o que simplifica a configuração do teste. Esta redução na complexidade torna a SI facilmente viável para dispositivos quânticos de curto prazo.
Uma das principais conquistas técnicas deste trabalho é a demonstração de que SI pode aumentar a controlabilidade dos estados quânticos gerados pelo circuito. Os pesquisadores mediram isso mostrando como o número de graus de liberdade (DoF) do modo de saída aumenta quando o SI é usado, em comparação com um circuito óptico padrão.
Aprendizado de máquina e algoritmos quânticos
Uma das aplicações potenciais do SI está no campo do aprendizado de máquina quântica. As tarefas de aprendizado de máquina geralmente exigem transformação não linear de dados, e os pesquisadores mostram como a SI pode fornecer não linearidade para melhorar o desempenho de algoritmos quânticos em tarefas como estimativa de probabilidade. Especificamente, eles mostram que seu método pode abrir caminho para uma potencial vantagem quântica sobre algoritmos clássicos em certas tarefas de aprendizado de máquina. Se o método for dimensionado e validado, poderá torná-lo uma ferramenta importante para aplicações de computação quântica de curto prazo.
Além do aprendizado de máquina quântica, a SI pode ser útil em uma ampla gama de aplicações de computação quântica, incluindo otimização quântica e problemas de simulação. O facto de o SI não depender de reprogramação em tempo real torna-o particularmente adequado para plataformas com recursos computacionais limitados.
Detalhes do Teatro:
Os pesquisadores também fornecem resultados teóricos sobre a evolução da pureza dos estados quânticos produzidos pelos circuitos SI. A pureza é uma medida de quão misto é um estado quântico; os estados puros tornam-se mais divisíveis, enquanto os estados mistos perdem algumas das suas informações quânticas. A equipe mostra que embora o SI aumente o controle do modelo quântico, também pode reduzir a pureza dos estados de saída. No entanto, argumentam que este compromisso é administrável e que os benefícios globais do aumento da exposição compensam claramente a perda de inocência.
Este artigo também examina o impacto do SI na diferenciação de saída de um circuito quântico, que é um fator importante na determinação do sucesso dos algoritmos quânticos. Ao escolher cuidadosamente as funções de injeção (as regras que regem a forma como novos estados quânticos são injetados no sistema), os investigadores mostram que é possível manter um elevado grau de isolamento e ao mesmo tempo beneficiar do maior controlo que o SI proporciona.
Limitações e direções futuras
Embora os investigadores apresentem argumentos convincentes sobre os benefícios da IS, ainda existem algumas limitações à sua abordagem. Por exemplo, a pureza reduzida pode ser um desafio para alguns algoritmos quânticos que dependem de estados muito puros. Além disso, a implementação do experimento SI exigirá maior desenvolvimento, especialmente em termos das medições de contagem de fótons necessárias para fazer o sistema funcionar.
A pesquisa futura se concentrará na extensão da estrutura do SI para sistemas quânticos mais complexos, como sistemas de muitos corpos. A equipe também está interessada em explorar como o SI pode ser combinado com outras plataformas quânticas, como qubits supercondutores, para criar sistemas quânticos híbridos com capacidades de acoplamento aprimoradas.
A pesquisa foi realizada por uma equipe de cientistas que inclui Léo Monbroussou e Elliott Z. Mamon da Sorbonne Université, Hugo Thomas de Quandela, Verena Yacoub da Sorbonne Université, Ulysse Chabaud do DIENS, Ecole Normale Supérieure e -Elham Kashefi da University of Edimburgo.
