Линейно-оптическое слияние (с оповещением)

Raveh Neeman

doi:10.5281/zenodo.22674814

Линейно-оптическое слияние (с оповещением) g_fusion

Вероятностное измерение пары фотонов в базисе Белла — 50% без усиления, 75% со вспомогательными фотонами, — отказ которого сопровождается оповещением (heralded) и даёт стирание (erasure) одного из двух измеряемых исходов; запутывающий примитив фотоники на слияниях (fusion).

g_fusion · слой 3 Механизм вентиля · продемонстрировано · с 2005

Открыть на карте

Вероятностное измерение Белла на фотонах (50%, 75% с усилением); неудача сопровождается оповещением → стирание.

Обзор →

Ключевые источники

[451] D. E. Browne and T. Rudolph, “Resource-Efficient Linear Optical Quantum Computation,” Phys… · 2005

[419] F. Ewert and P. van Loock, “3/4-Efficient Bell Measurement with Passive Linear Optics and … · 2014

[169] K. Alexander et al., “A manufacturable platform for photonic quantum computing,” Nature, v… · 2025

[264] M. C. Löbl, L. A. M. Pettersson, J. Dragašević, S. X. Chen, and O. A. D. Sandberg, “The su… · 2026

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя: фотон (естественная частица, искусственно сформированные моды)
(b) время · запутывание: 100 ns · вероятностное / с оповещением (heralded)
(c) считывание: —
(d) подвижность: летающие кубиты (фотоны)
(e) управление: электрооптическое @ комнатная
(f) структура ошибки: потеря (стирание)
(g) производство: фабрика ФИС

Пространство оценки — датированные атрибуты

fusion Bell fidelity → 99.22%

определяет: канал ошибок · 2025-02 · источник

Стандартные рекорды

ошибка двухкубитного вентиля при параллельной работе всей ширины → не опубликовано · типичное

Fusion Bell-state fidelity 99.22(12)% is a single-fusion measurement; no parallel or network-scale fusion figure is published · 2025-02 · источник [D] ⓘ

перекрёстные помехи → не опубликовано · типичное

No crosstalk figure: fusion failure is heralded and enters the loss budget, not a coherent-error budget · 2025-02 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Фотоника на основе слияний (FBQC) — PsiQuantum (Omega), Quandela, QuiX · G4 G6

Фотоника на непрерывных переменных — GKP (альтернатива) — Xanadu (Aurora) · G4 G6

Рёбра

нужно: Одиночный фотон (дискретные переменные)°, Детектирование одиночных фотонов (SNSPD / TES), Фотонная коммутация / маршрутизация (электрооптика, прямая связь), Сжатая мода света (непрерывные переменные)°

нужен для: Генератор многофотонных ресурсных состояний (RSG; 6-ring и т.п.), Отказоустойчивость на основе слияний

альтернативы: Гауссовы вентили на непрерывных переменных + негауссовы операции с помощью GKP, Программируемый линейно-оптический интерферометр (без запутывающего примитива)

° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 6 машин (6 основная · 0 альтернатива)

фотоника 6
ETRI 8-photon silicon-photonic qubit chip ETRI (with KAIST and the University of Trento) статья ▨ 🔎
Omega chipset (Moreton Bay / Chicago systems unnamed) PsiQuantum статья страница продукта пресса ▣ Fig. 3d,h (two-qubit fusion); Fig. 3c,f (HOM) ✅
Belenos Quandela страница продукта пресса ▣ §III Benchmarking logic gates; SI §S-V + Fig. S9 (post-selected CNOT circuit) ✅
Quandela Canopus Quandela страница продукта страница продукта пресса ◌ 🔎
Lucy Quandela пресса ▦ 🔎
Carina QuiX Quantum ▨ 🔎

↗ карточка реестра · статья / продукт / пресса: ссылки, где машина названа (атрибуция проверена 20 сентября 2026)

Иллюстрации

У каждой иллюстрации — рассказ о том, что на ней, и строка авторства.

Fig. 1 — Figure 1: Comparison between standard and logical Bell-state measurements (BSMs). (a) Schematic representation of the logical BSM. Four physical qub… — A drawing and a table. (a) A logical Bell-state measurement (BSM) built from two standard linear-optical BSMs, each a 50:50 beam splitter followed by half-wave plates, polarising beam splitters and detectors, on four physical qubits a–d. (b) Success probabilities: the standard BSM identifies two of four Bell states (average 50%), the logical BSM two always and two half the time (average 75%). It is Figure 1 of arXiv 2609.10698, 'Demonstration of a logical Bell-state measurement beyond the linear-optical limit', by Shreya Kumar, Simon D. Reiß, Peter van Loock and Stefanie Barz. A plain linear-optical BSM works only half the time; beating that matters for fusion-based photonic quantum computing. “Fig. 1 — Figure 1: Comparison between standard and logical Bell-state measurements (BSMs). (a) Schematic representation of the logical BSM. Four physical qubits encode…” by Shreya Kumar, Simon D. Reiß, Peter van Loock, Stefanie Barz, arxiv.org/abs/2609.10698, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 2 — Figure 2: Experimental implementation of the logical BSM. The setup is primarily composed of two parts: The logical Bell-state generation and the lo… — A rendered drawing of a tabletop photonics experiment: a 775-nanometre picosecond laser pumps two ppKTP crystals that make entangled photon pairs, which travel by fibre to two beam-splitter Bell-state measurements read out by superconducting nanowire detectors. It comes from arXiv paper 2609.10698 by Shreya Kumar, Simon D. Reiß, Peter van Loock and Stefanie Barz. Such Bell-state measurements are the 'fusion' step of photonic quantum computing; notice the dashed line separating state generation from measurement. It is a drawing, not a photograph. “Fig. 2 — Figure 2: Experimental implementation of the logical BSM. The setup is primarily composed of two parts: The logical Bell-state generation and the logical BSM.…” by Shreya Kumar, Simon D. Reiß, Peter van Loock, Stefanie Barz, arxiv.org/abs/2609.10698, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Fig. 3 — Figure 3: The most common applications of BSMs in quantum information: a) Entanglement swapping protocol, which allows to share an entangled photon… — A three-panel drawn schematic, not an experiment photograph, from the review "Bell state measurements in quantum optics: a review of recent progress and open challenges" by Luca Bianchi, Carlo Marconi and Davide Bacco. It shows three uses of a Bell state measurement: entanglement swapping between photon pairs, fusion gates that join small photonic graph states into larger cluster states for measurement-based quantum computing, and measurement-device-independent quantum key distribution. Notice that the same measurement box is the core of all three. “Fig. 3 — Figure 3: The most common applications of BSMs in quantum information: a) Entanglement swapping protocol, which allows to share an entangled photon pair…” by Luca Bianchi, Carlo Marconi, Davide Bacco, arxiv.org/abs/2509.18756, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

g_fusion · слой 3 Механизм вентиля · центральность 7.7 · продемонстрировано · с 2005 · обновлено 2026-09-03

Линейно-оптическое слияние (с оповещением)

Вероятностное измерение пары фотонов в базисе Белла — 50% без усиления, 75% со вспомогательными фотонами, — отказ которого сопровождается оповещением (heralded) и даёт стирание (erasure) одного из двух измеряемых исходов; запутывающий примитив фотоники на слияниях (fusion).

Вердикт. Реально: одиночные слияния с белловской точностью 99.22% на кристалле и 99.72% между кристаллами (PsiQuantum, 2025-02). Не доказано: хоть какая-нибудь сеть сцепленных слияний со сквозной вероятностью успеха. Понизить в ранге, если к 2028 году не опубликован результат по многократному слиянию.

Ключевые источники

Λ = коэффициент подавления ошибок на шаг кодового расстояния; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (Stage A — концепция → B — план НИОКР → C — государственная V&V); G1–G7 = классы целей отчёта (см. «Участники и экономика»).

Сущность и происхождение

Измерение в базисе Белла — светоделитель, фазовращатели, детекторы с разрешением числа фотонов, — которое либо проецирует два фотона на белловское состояние, либо уничтожает оба и сообщает об этом, отдавая коду стирание вместо ошибки Паули. Browne и Rudolph ввели слияние типа I/II в 2005 году, чтобы наращивать кластерные состояния без детерминированного вентиля S[451]; линейная оптика ограничивает однозначное различение уровнем 50%, незапутанные анциллы поднимают его до 75% S[419]. Атрибуты: летающие фотоны, запутывание с оповещением за ~100 ns; электрооптическое управление при комнатной температуре, ошибки с доминированием потерь, изготовление фотонных ИС.

Физика и пределы

Потолок 50% — ограничение линейной оптики (Calsamiglia и Lütkenhaus, 2001): пассивная оптика с анциллами в вакуумном состоянии различает не более двух из четырёх белловских состояний, а анцилла-фотоны, поднимающие его до 75% и выше, сами обязаны уцелеть. Рабочий показатель — вероятность успеха × пропускание²; потери в лучшем случае превращают успех в отказ с оповещением, в худшем — в необнаруженную ошибку. Сам вентиль не является проблемой: 99.22 ± 0.12% на кристалле, 99.72 ± 0.04% между кристаллами на 42 m при ~2 K D[169]факт. Предел снизу задаёт тракт вокруг вентиля — SiN 1.8 ± 0.2 dB/m, коммутатор на BTO 100 mdB, стыковка волокно–кристалл 52 mdB, интегральный сверхпроводниковый однофотонный детектор (SNSPD) с медианной эффективностью 93.4% D[169] — и сам факт отказа: переанализ 2026 года помещает пол логической ошибки в точку нулевых потерь, так что чисто линейно-оптические конструкции требуют очень большого расстояния, тогда как слияние через посредство излучателя терпит 7.0–7.3% S[264]факт.

Достигнутый инженерный уровень

таблица

Дата	Показатель	Кто	Тег
2005	Слияние типа I/II, успех 50%, предложение	Browne & Rudolph	S[451]
2014	Белловское измерение с успехом 75% на незапутанных анциллах	Ewert & van Loock	S[419]
2025-02	Белловская точность 99.22 ± 0.12% на кристалле; 99.72 ± 0.04% между кристаллами, 42 m	PsiQuantum	D[169]
2026-06	Шумовой пол от отказов слияния при нулевых потерях; порог 7.0–7.3%	Sparrow	S[264]

Каждая датированная точность относится к одному слиянию, измеренному изолированно; вероятность успеха для цепочки слияний публично не раскрыта.

По состоянию на 4 сентября 2026 г. ни одна вторая группа не воспроизвела точности слияния PsiQuantum 99.22%/99.72%. Lucy компании Quandela описана в источниках только как машина на 12 фотонных кубитов, а не как система на основе слияний. Потери в волноводе PsiQuantum в основном отчёте, 0.5 dB/m, расходятся с цифрой статьи Nature — 1.8 ± 0.2 dB/m для одномодового SiN, которая и используется здесь.

Производство, материалы и цепочка поставок

Материалов, специфичных для слияния, нет: вентиль переиспользует стек платформы — волноводы SiN, коммутаторы на BTO, интегральные SNSPD на 300-mm кремнии у GlobalFoundries Cфакт. Производство определяет потери на элемент, а каждый элемент находится внутри попытки: коммутатор 100 mdB, стыковка волокно–кристалл 52 mdB D[169]; лучшая корпусированная стыковка — 0.085 dB на грань у Xanadu Cфакт. Ввод-вывод — это каналы и задержка: 2–4 детектора с разрешением числа фотонов на каждое слияние плюс упреждающее управление (feed-forward) в пределах времени пролёта фотона; Aurora работает с 12 модами на такте 1 MHz D[173]. При 10³ слияний/с ограничением служат накопленные потери в коммутаторах; при 10⁴–10⁶ — число криогенных каналов и упреждающее управление с гигагерцевым темпом, которое ещё не построено. Позиция ECCN 4A906 накрывает машину, 3A901 — электронику для температур ниже 4.5 K факт.

Роль в стеке

Требует одиночных фотонов, однофотонного детектирования для оповещения и электрооптической коммутации для упреждающего управления; даёт измерения слияния, потребляемые генерацией ресурсных состояний и отказоустойчивостью на слияниях (PsiQuantum, Quandela, QuiX). На фотонной GKP-архитектуре (код Готтесмана–Китаева–Прескилла) с непрерывными переменными (Xanadu) он служит альтернативой и замещает гауссово объединение на непрерывных переменных — смена механизма меняет разом детекторы, кодирование и модель ошибок. Вклад в такт ~1.0 × 10⁻⁷ с на попытку, делённый на вероятность успеха и глубину мультиплексирования, поэтому производный такт определяется генерацией, а не вентилем. Верификация: заявленные цифры — это томография одного слияния; ни один протокол не сообщает об успехе на глубине, и ни одна вторая группа их не воспроизвела.

Участники и экономика

Кто.

Организация	Роль	Страна	Что именно делает с технологией	Свидетельство
PsiQuantum	разработчик	США	Наивысшая опубликованная точность слияния, 300-mm линия	Dфакт
Quandela	разработчик	Франция	Линейно-оптическое оборудование, введённое в эксплуатацию	Cфакт
QuiX Quantum	разработчик	Нидерланды	Оборудование MBQC в DLR	Cфакт
Sparrow Quantum	исследования	Дания	Пороговая аргументация против линейно-оптического слияния	Sфакт
DARPA	инвестор	США	Финансирует PsiQuantum на Stage C, Quandela по QBIT	факт

Деньги.
2025-09-10 · PsiQuantum · раунд серии E · USD 1 B при оценке USD 7 B · BlackRock, Temasek · закрыт факт
2026-06-16 · Quandela · DARPA QBIT Stage A · сумма не раскрыта · объявлено факт
2026-07-22 · PsiQuantum · расширение DARPA QBI Stage C · USD 125 M · окончательно факт

Рынок и цепочка поставок. Отдельного рынка нет: слияние поставляется внутри фотонной ИС, поэтому его практически достижимую вероятность успеха задают фабрика и подрядчик по корпусированию. Риск концентрации сосредоточен на GlobalFoundries; платят только G3/G4.

Интеллектуальная собственность и стандарты. По состоянию на 4 сентября 2026 г. датированного патентного семейства, специфичного именно для вентиля слияния, нет; ближайшее — US 12,437,225 компании ORCA факт.

Дорожные карты и послужной список. (2025-02 · покомпонентные метрики Omega · выполнено); (2026-07 · V&V коммутаторов, корпусирования и криогеники на Stage C · в работе, речь о валидации финансирования, а не о публикации). Доверие к компонентам хорошее, слияние на системном уровне не проверено.

Стратегическое прочтение. Точность компонентов — это лишь входной билет; борьба идёт за вероятность успеха на глубине, а там пороговый аргумент 2026 года играет в пользу слияния через посредство излучателя — вызов для PsiQuantum и QuiX и окно возможностей для поставщиков квантовых точек. Если линейная оптика устоит, стоимость захватят фабрики.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить к 2027 году: публикация сети из ≥3 сцепленных слияний со сквозной вероятностью успеха и статистикой стираний; понизить в ранге, если к 2028 году останутся только цифры по одиночным слияниям. Лучший сценарий к 2029 году: усиленное слияние выше 75% на кристалле. Худший сценарий: пол отказов при нулевых потерях подтверждается, и линейно-оптическое слияние выживает только внутри гибридов с излучателями. Открытые вопросы: насколько коррелированы отказы по площади кристалла; поддерживает ли разрешение числа фотонов с эффективностью 93% режим усиления.

Литература

[169] K. Alexander et al., “A manufacturable platform for photonic quantum computing,” Nature, vol. 641, no. 8064, pp. 876–883, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08820-7. [D]
[173] H. A. Rad et al., “Scaling and networking a modular photonic quantum computer,” Nature, vol. 638, no. 8052, pp. 912–919, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41586-024-08406-9. [D]
[264] M. C. Löbl, L. A. M. Pettersson, J. Dragašević, S. X. Chen, and O. A. D. Sandberg, “The subthreshold issue of fusion-based quantum computing,” arXiv:2606.28490, Jun. 2026. [S]
[419] F. Ewert and P. van Loock, “3/4-Efficient Bell Measurement with Passive Linear Optics and Unentangled Ancillae,” Phys. Rev. Lett., vol. 113, no. 14, Art. no. 140403, Sep. 2014, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.140403. arXiv:1403.4841. [S]
[451] D. E. Browne and T. Rudolph, “Resource-Efficient Linear Optical Quantum Computation,” Phys. Rev. Lett., vol. 95, no. 1, Art. no. 010501, Jun. 2005, doi: 10.1103/PhysRevLett.95.010501. [S]