CO$Φ$ - Compilazione della fotonica in circuiti quantistici digitali

Abstract degli autori

Gli approcci fotonici e quelli basati su qubit (digitali) alla computazione quantistica sono perlopiù considerati paradigmi distinti. Questo articolo si propone di collegarli sviluppando un metodo per tradurre i sistemi di ottica quantistica in circuiti quantistici basati su qubit. L’elemento chiave che rende possibile questa traduzione è l’introduzione di un troncamento dello spazio di Fock che descrive gli stati ottici a singolo modo. In questo quadro vengono sviluppate rappresentazioni di operazioni fotoniche fondamentali, tra cui l’operatore di rotazione di fase, l’operatore di spostamento, l’operatore di squeezing e il beam splitter. Sono fornite costruzioni esplicite di circuiti quantistici per troncamenti dello spazio di Fock di dimensione $N=2$ e $N=4$. Esaminiamo il benchmarking delle operazioni implementate e individuiamo il regime di applicabilità e i limiti del metodo proposto. I risultati presentati possono essere usati per simulare circuiti di ottica quantistica su computer quantistici basati su qubit, con particolare rilevanza per il Gaussian Boson Sampling nel regime a basso numero di fotoni. Per dimostrare l’applicabilità pratica di questo approccio, affianchiamo al quadro teorico CO$Φ$, uno strumento di programmazione quantistica basato su Python che compila i programmi di ottica quantistica Blackbird in circuiti OpenQASM basati su qubit, usando una codifica nello spazio di Fock troncato. Il compilatore è disponibile su GitHub all’indirizzo https://github.com/Quantum-Cosmos-Lab/cophi.