42. محاسبات کوانتومی فوتونیکی
42.1فوتون‌ها به‌عنوان کیوبیت
کیوبیت را در یک مدِ نور رمز کنید: قطبش، مسیر یا بستهٔ زمانی. فهرست مزایا واقعی است: فوتون‌ها در پرواز هم‌دوسی‌زدایی نمی‌شوند (در خلأ چیزی برای برهم‌کنش نیست)، در فیبر مخابراتی — بهترین کانال شبکهٔ کوانتومیِ موجود — منتشر می‌شوند، تولید و آشکارسازی‌شان فناوری‌های بالغ است و بیشترِ ماشین در دمای اتاق کار می‌کند. عیب ساختاری است: فوتون‌ها به‌سختی با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند، پس گیت طبیعیِ دوکیوبیتی وجود ندارد. تمام این حوزه مجموعه‌ای از پاسخ‌های روزبه‌روز هوشمندانه‌تر به همان یک جمله است. و خطای غالب اصلاً هم‌دوسی‌زدایی نیست — افت است، که با همهٔ مدل‌های نویز بخش نهم تفاوت ماهوی دارد.
42.2قطبش (polarization)
حالت‌های پایه |H⟩ و |V⟩، افقی و عمودی. کنترل با صفحات موجی — نیم‌موجی گیتِ چرخش است، ربع‌موجی حالت‌های دایره‌ای آماده می‌کند — و تحلیل با جداکنندهٔ پرتوِ قطبنده که دو مؤلفه را به آشکارسازهای تک‌فوتونی می‌فرستد. بهترین آشکارسازها، آشکارسازهای سیم-نانوی ابررسانا (SNSPD) هستند: بهره‌وری ۹۰ تا ۹۸ درصد، زمان‌بندی پیکوثانیه، شمار تاریک ناچیز — تنها جزء سردِ سکو که با وجود فیزیکِ دمای-اتاق، کرایوستات می‌خواهد. قطبش در فضای آزاد راحت است اما در دوکشیش (birefringence) فیبر می‌رانَد؛ سامانه‌های فیبریِ مستقر معمولاً رمزگذاری بسته-زمانی را ترجیح می‌دهند که کیوبیت را به دامنه‌های رسیدنِ زود-یا-دیر می‌برد که فیبر پایدارشان نگه می‌دارد.
42.3کدگذاری مسیر (path encoding)
کیوبیت این است که فوتون کدام‌یک از دو موج‌بر را اشغال کرده. روی تراشه‌های فوتونیکی سیلیسیمی، جداکنندهٔ پرتو یعنی تداخل‌سنج ماخ–زندر و جابه‌جاکند فاز، عناصر ترمو-اپتیک یا الکترو-اپتیک‌اند — مجموعه‌گیت کامل تک‌کیوبیتی در سخت‌افزار لیتوگرافی‌شده. فوتونیک یکپارچه مسئلهٔ پایداری را حل می‌کند که اپتیک فضای آزادِ روی‌میز را می‌کشد (مسیرهای سانتی‌متری می‌رانَند؛ مسیرهای میلی‌متریِ روی‌تراشه به‌سختی) و از اکوسیستم ساخت نیمه‌رسانا به ارث می‌برد — راهبرد صریح PsiQuantum سوارشدن بر فب‌های تجاری است. مدارهای مجتمع فوتونیکی با هزاران جزء عادی‌اند. بعد از کیوبیت‌های اسپینی (۴۳.۱)، بومی‌ترین سکو به ساخت‌وساز، و تنها سکویی که قصهٔ ساختش لفظاً مهندسی نیمه‌رسانای کلاسیک است.
42.4تداخل‌سنجی (interferometry)
جداکننده‌های پرتو و جابه‌جاکندهای فاز، هر یکانی روی مدها را پیاده می‌کنند: تجزیه‌های Reck و Clements هر یکانی m×m مدی را از O(m²) جزء می‌سازند — قضیه‌ای سازنده، و تمرین خوشایند numpy. تداخل فوتون‌های بی‌تفاوت (indistinguishable) منبع محاسباتی است؛ پس بی‌تفاوتی فوتون — خلوص طیفی، زمانی و مکانی — الزام سختِ سامانه‌ای است و وفاداری تداخل چند-فوتونی، اولین عددی است که در هر مقالهٔ فوتونیکی می‌خوانید. همان ماشین‌آلات، کلِ نمونه‌برداری بوزونی است (۴۲.۷): تداخل‌سنج خودِ رایانه است و آمار خروجی روی درگاه‌هایش، نتیجه. هیچ چیز دیگری در ماشین محاسبه نمی‌کند؛ محاسبه، الگوی تداخل است.
42.5گیت‌های فوتونیکی
بی‌برهم‌کنشی فوتون-فوتون یعنی هیچ گیت معینی از اپتیک منفعل نمی‌آید. سه پاسخ وجود دارد. KLM (Knill–Laflamme–Milburn، ۲۰۰۱): گیت‌های القاشده با اندازه‌گیری — فوتون‌های کمکی به‌علاوهٔ پس‌گزینی (postselection) باعث می‌شوند گیت دوکیوبیتی با احتمالی کمتر از ۱ موفق شود اما موفقیتش را اعلام کند، و تلپورتِ گیت این گیت‌های heralded را به هم زنجیر می‌کند. گیت‌های fusion: اندازه‌گیری‌های دوکیوبیتیِ احتمالاتی که حالت‌های منبع کوچک را به خوشه‌های بزرگی می‌دوزند که تحمل خطا می‌خواهد (معماری PsiQuantum). گیت‌های واسطه-ماده: اتم‌ها یا نقاط کوانتومی در حفره‌ها برهم‌کنش معین می‌دهند — قدرتمند اما از نظر سخت‌افزاری سخت. هر راه به چندتایی‌سازی (multiplexing) ختم می‌شود: افزونگی عظیم در منابع، مسیرها و زمان‌بندی تا عملیات احتمالاتی تقریباً همیشه موفق شود. حساب منابع از حساب شاخه‌های ۳۱.۳ پیروی می‌کند.
42.6اندازه‌گیری
اندازه‌گیری بومی و مرکزی است: محاسبهٔ فوتونیکی عمدتاً «حالت‌های درهم‌تنیده آماده کن، اندازه بگیر، پیش‌خور کن» است. آشکارسازها: SNSPD برای شمردن فوتون (۴۲.۲) و آشکارسازهای هموژین یا هتروژین برای رمزگذاری‌های متغیر-پیوسته که مؤلفه‌های میدان را می‌سنجند — مسیری که Xanadu با کیوبیت‌های GKP می‌رود (۴۲.۸). الکترونیک پیش‌خورِ سریع (مقیاس میکروثانیه) عملیات‌های بعدی را به نتایج قبلی شرطی می‌کند، پس صفحهٔ کنترل کلاسیک روی مسیر بحرانیِ خود محاسبهٔ کوانتومی است. چون هر گام یک اندازه‌گیری است، توان عبوریِ پس‌پردازش کلاسیک قید معماریِ واقعی می‌شود، نه فکری پس‌مانده — سکویی که مرز کلاسیک/کوانتومی‌اش نازک‌ترین است.
42.7نمونه‌برداری بوزونی (boson sampling)
بنچمارک بومی سکو: m فوتون بی‌تفاوت را از تداخل‌سنج بزرگی عبور دهید و توزیع خروجی را نمونه بگیرید؛ توزیع به دائمیِ ماتریس مربوط است و برای رایانهٔ کلاسیک سخت پنداشته می‌شود (Aaronson–Arkhipov، ۲۰۱۱). آزمایش‌های Jiuzhang دانشگاه USTC (۲۰۲۰، ۲۰۲۱) مزیت کوانتومی فوتونیکی را با چند ده فوتون ادعا کردند؛ گروه‌های الگوریتم کلاسیک سپس ادعا را به‌طور محسوس فشرده کردند — همان دینامیک ۱.۸ و مطالعهٔ موردی بنچمارک صادقانه. نمونه‌برداری بوزونی محاسبهٔ کوانتومی جهان‌شمول نیست، اما پشتهٔ فوتونیکی را سرتاسری راستی‌آزمایی کرد: منابع، تداخل‌سنج‌ها، آشکارسازها و تحلیل، در مقیاسی بی‌سابقه. Borealis شرکت Xanadu بعدتر نسخهٔ برنامه‌پذیر و ابری را در دسترس گذاشت — ماشین عمومیِ سکوی فوتونیکی.
42.8تصحیح خطای فوتونیکی
مدل خطا افت-محور است، پس QEC فوتونیکی از نظر ماهیت با مدل‌های بخش نهم فرق دارد: از کدهای بردبر به محوشدگی استفاده کنید (می‌دانید فوتون کجا گم شد) و در حالت‌هایی رمز کنید که مستقیم با افت می‌جنگند. کیوبیت‌های GKP — حالت‌های شبکه‌ای در یک مد نوری — توسط Xanadu (۲۰۲۴) با تصحیح خطا روی تراشهٔ فوتونیکی نمایش داده شدند؛ ادعایی زیر-آستانه در مقیاس کوچک. تحمل خطای مبتنی بر fusion (PsiQuantum) حالت‌های منبع کوچک را به کدی بزرگ می‌بافد که بردباری به افت در خودِ دوختن است. حساب منابع برخلاف هر سکوی دیگری است: میلیون‌ها جزء، رانده از حساب احتمالِ گیت‌های احتمالاتی (۴۲.۵). شرط‌بندی صریح است — فب‌های نیمه‌رسانا، نه فیزیک جدید، آن شکاف را می‌بندند.