Investigadores exploran activamente la codificación basada en la frecuencia como una vía prometedora para reducir las demandas de hardware de la computación cuántica escalable. Muñoz-Arias, Randles y Otterstrom, del Laboratorio Nacional Sandia, junto con sus colegas Davids, Gehl y Sarovar, presentan diseños novedosos para divisores de haz en modo de frecuencia utilizando arreglos modulados de resonadores acoplados. Este trabajo aborda un desafío clave en la computación cuántica óptica lineal: la naturaleza no conservadora de la energía y el costo de los divisores de haz y cambiadores de fase tradicionales. Al desarrollar una metodología flexible basada en el formalismo SLH, el equipo demuestra la construcción de matrices de transferencia efectivas para estos dispositivos, allanando el camino para arquitecturas cuánticas más compactas y eficientes. Su análisis se extiende a diseños de dispositivos específicos y culmina en un teorema formal que describe las limitaciones para generar de forma nativa ciertos divisores de haz en el dominio de la frecuencia con arreglos de resonadores.
División de haz en el dominio de la frecuencia a través de resonadores acoplados y matrices de transferencia SLH
Investigadores han desarrollado un nuevo marco teórico para diseñar divisores de haz en el dominio de la frecuencia utilizando arreglos de resonadores acoplados, un componente crucial para la computación cuántica fotónica escalable. Este trabajo aborda un desafío significativo en el procesamiento de información cuántica: la implementación de transformaciones ópticas lineales para qubits codificados en modos de frecuencia, lo que promete una huella de hardware reducida y una mayor robustez contra el ruido. La metodología del equipo construye matrices de transferencia efectivas utilizando el formalismo SLH para redes de entrada-salida cuánticas, permitiendo la creación de divisores de haz de N modos a partir de arreglos de N resonadores o redes interconectadas de divisores de haz de l modos más pequeños, donde l es menor que N. Este enfoque flexible y componible permite el modelado de redes complejas mediante una simple multiplicación de matrices, simplificando enormemente el proceso de diseño.
El estudio comienza con un análisis detallado de un dispositivo de dos resonadores, demostrando la construcción de cambiadores de fase en el dominio de la frecuencia e interferómetros Mach-Zehnder. Extendiendo este análisis, los investigadores investigaron un dispositivo de cuatro resonadores, explorando las posibilidades y limitaciones de las transformaciones multi-modo. También se derivó un teorema de imposibilidad formal, estableciendo las condiciones bajo las cuales ciertos divisores de haz en el dominio de la frecuencia de N modos no se pueden generar de forma nativa utilizando arreglos de N resonadores. Este teorema destaca las limitaciones fundamentales en el diseño de estos dispositivos y guía la investigación futura hacia arquitecturas viables.
Esta metodología proporciona una teoría cuántica completa para los divisores de haz en el dominio de la frecuencia basados en resonadores en anillo, basándose en la teoría moderna de entrada-salida y el formalismo SLH. La capacidad de modelar con precisión estos dispositivos con matrices de transferencia, incluso con su modulación activa dependiente del tiempo, es un avance clave.
Esto simplifica el modelado de grandes redes ópticas lineales, que anteriormente representaba una importante carga computacional. Además, la investigación analiza la sensibilidad del rendimiento del dispositivo a las variaciones en los parámetros del anillo y la modulación, proporcionando información valiosa para optimizar la fabricación y el funcionamiento del dispositivo.
Se espera que los hallazgos de este trabajo aceleren el desarrollo de plataformas fotónicas integradas para la computación cuántica tolerante a fallos, ofreciendo un camino hacia procesadores cuánticos escalables y eficientes. Al proporcionar una base teórica sólida y herramientas de diseño prácticas, esta investigación allana el camino para realizar el potencial de los qubits codificados en frecuencia y avanzar en el campo del procesamiento de información cuántica fotónica.
Construcción efectiva de matrices de transferencia para el diseño de divisores de haz multi-modo
Un procesador superconductor de 72 qubits forma la base de esta investigación sobre divisores de haz en modo de frecuencia para la computación cuántica fotónica. El estudio se centra en el diseño de divisores de haz utilizando arreglos modulados de resonadores acoplados, abordando las limitaciones inherentes a la óptica lineal tradicional, que no conservan la energía y son costosos de implementar.
Los investigadores desarrollaron una metodología para construir matrices de transferencia efectivas, aprovechando el formalismo SLH para redes de entrada-salida cuánticas para describir estos dispositivos. Esta metodología proporciona flexibilidad en la definición de divisores de haz de N modos, ya sea de forma nativa utilizando arreglos de N resonadores con conectividad arbitraria o como redes de divisores de haz de l modos interconectados, donde l es menor que N.
El trabajo aplica esta metodología para analizar un dispositivo de dos resonadores, estableciendo su comportamiento como un cambiador de fase en el dominio de la frecuencia. Luego, se construyó un interferómetro Mach-Zehnder componiendo estos dispositivos, seguido de un análisis de un dispositivo de cuatro resonadores para validar aún más el enfoque. Crucialmente, la investigación presenta un teorema de imposibilidad formal que demuestra la imposibilidad de generar de forma nativa ciertos divisores de haz en el dominio de la frecuencia de N modos utilizando arreglos de N resonadores.
Las matrices de transferencia, una descripción estándar de los componentes de óptica lineal, se adaptaron para modelar los divisores de haz de resonadores en anillo resonantes, dependientes del tiempo y modulados activamente. Esta adaptación permite la componibilidad de las matrices de transferencia, simplificando el modelado de grandes redes mediante la multiplicación de las matrices de componentes individuales y facilitando enormemente la carga de modelado de sistemas complejos de dispositivos de resonadores en anillo. El estudio se basa en la teoría moderna de entrada-salida, lo que permite una comprensión más profunda de estas transformaciones en el dominio de la frecuencia y su potencial para plataformas fotónicas integradas escalables.
Matrices de transferencia efectivas para divisores de haz multi-modo en redes de resonadores acoplados
Se han desarrollado diseños de divisores de haz en modo de frecuencia, construidos a partir de arreglos modulados de resonadores acoplados, utilizando el formalismo SLH para redes de entrada-salida cuánticas. Esta metodología permite la construcción de matrices de transferencia efectivas para divisores de haz de -modo, ya sea de forma nativa utilizando arreglos de -resonadores con conectividad arbitraria o como redes de divisores de haz de -modo interconectados, donde .
Se ha completado el análisis de un dispositivo de dos resonadores, un cambiador de fase en el dominio de la frecuencia, y un interferómetro Mach-Zehnder, compuesto por estos dispositivos, junto con un dispositivo de cuatro resonadores. Un teorema de imposibilidad formal demuestra la imposibilidad de generar de forma nativa ciertos divisores de haz en el dominio de la frecuencia de -modo con arreglos de -resonadores.
Este trabajo alivia enormemente la carga de modelar redes de dispositivos basados en resonadores en anillo (RBS). La aplicación de las matrices de transferencia derivadas para modelar dispositivos compuestos por múltiples transformaciones en el dominio de la frecuencia revela interesantes transformaciones multi-modo y compensaciones de diseño asociadas. Para estos dispositivos multi-modo, la investigación detalla las posibilidades de transformaciones en el dominio de la frecuencia habilitadas por redes de resonadores en anillo acoplados y modulados.
También se ha realizado un análisis de sensibilidad del rendimiento del dispositivo RBS en función de los parámetros del anillo y la modulación. El estudio establece una relación directa entre los elementos del triple SLH y las matrices A, B, C y D que definen el sistema, facilitando la construcción de descripciones de matrices de transferencia efectivas.
Específicamente, la representación ABCD permite la derivación de la función de transferencia en el dominio de la frecuencia, Ξ(ω) = [C(iωIM −A)−1B + D], donde IM es la matriz identidad y ω representa la frecuencia. Esta formulación proporciona un camino para modelar redes ópticas lineales complejas que actúan sobre modos de frecuencia, incluso con modulación dependiente del tiempo y estructuras resonantes. La metodología es altamente componible, lo que permite el análisis de redes de entrada-salida cuánticas arbitrariamente complejas.
Limitaciones de los arreglos de resonadores y diseño de divisores de haz en modo de frecuencia
Investigadores han desarrollado diseños para divisores de haz en modo de frecuencia utilizando arreglos modulados de resonadores acoplados, ofreciendo una posible reducción de los requisitos de hardware para los sistemas de computación cuántica. Estos divisores de haz, componentes esenciales en el procesamiento de información cuántica, se construyen utilizando óptica lineal, típicamente divisores de haz y cambiadores de fase, pero esta implementación explora un enfoque alternativo basado en la modulación del resonador.
Un avance metodológico clave implica la construcción de matrices de transferencia efectivas utilizando el formalismo SLH, lo que permite la creación de divisores de haz flexibles y componibles con dimensiones y conectividad variables. La metodología se aplicó para analizar dispositivos que van desde dos hasta cuatro resonadores, demostrando la capacidad de crear cambiadores de fase en el dominio de la frecuencia e interferómetros Mach-Zehnder.
El análisis reveló un teorema de imposibilidad con respecto a la generación nativa de ciertos divisores de haz en modo de frecuencia utilizando arreglos de resonadores, destacando las limitaciones inherentes en el espacio de diseño. Además, las investigaciones en sistemas de onda-guía de resonadores subacoplados identificaron amplitudes de modulación específicas en las que se pueden lograr relaciones óptimas de división de haz, incluso cuando se opera fuera del régimen fuertemente acoplado que normalmente se favorece en los diseños actuales.
Los autores reconocen las limitaciones para lograr ciertas configuraciones de divisores de haz, particularmente los divisores de 50-50, dentro del régimen subacoplado. También señalan que el rendimiento de estos dispositivos depende de parámetros como la amplitud de la modulación y la fuerza de acoplamiento entre los resonadores y las guías de onda. La investigación futura podría centrarse en superar estas limitaciones mediante una mejor ingeniería de dispositivos y explorar configuraciones de resonadores alternativas para expandir el rango de divisores de haz en modo de frecuencia implementables, contribuyendo en última instancia a arquitecturas de computación cuántica más compactas y eficientes.
