[論文レビュー] Boson Sampling in a reconfigurable continuously-coupled 3D photonic circuit.

Francesco Hoch, Simone Piacentini+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、低損失かつ高スケーラビリティを実現する、再構成可能でコンactな3次元フォトリック回路を提案し、ボソンサンプリングに適したプログラマブルなユニタリ変換を可能にする。著者らは3光子および4光子のボソンサンプリング実験を実施し、任意のユニタリ行列を多数実装できる能力を実証し、フォトリック量子優位性のためのスケーラブルなソリューションとして位置づけている。

ABSTRACT

Boson Sampling is a computational paradigm representing one of the most viable and pursued approaches to demonstrate the regime of quantum advantage. Recent results have demonstrated significant technological leaps in single-photon generation and detection, leading to progressively larger experimental instances of Boson Sampling experiments in different photonic systems. However, a crucial requirement for a fully-fledged platform solving this problem is the capability of implementing large scale interferometers, that must simultaneously exhibit low losses, high degree of reconfigurability and the realization of arbitrary transformations. In this work, we move a step forward in this direction by demonstrating the adoption of a novel compact and reconfigurable 3D-integrated platform for photonic Boson Sampling. We perform 3- and 4-photon experiments by using such platform, showing the possibility of programming the circuit to implement a large number of unitary transformations. These results show that such compact and highly-reconfigurable layout can be scaled up to experiments with larger number of photon and modes, and can provide a viable direction for hybrid computing with photonic processors.

研究の動機と目的

• ボソンサンプリングに必要な任意のユニタリ変換を実装できる、スケーラブルで低損失のフォトリックプラットフォームの開発を目的とする。
• フォトリック量子プロセッサにおける大規模かつ再構成可能なインタファーメータの統合に課題を解決することを目的とする。
• コンパクトな3次元統合アーキテクチャにおけるプログラマブルなユニタリ変換の実験的妥当性を実証することを目的とする。
• 将来的に、より多くの光子およびモード数を対象とした量子優位性の実証に向けたスケーリングを可能とすることを目的とする。

提案手法

• 著者らは、再構成可能性と低伝送損失を達成するため、連続的結合された波ガイドを有する3次元統合フォトリック回路を用いる。
• 統合電極を通じた位相シフトおよび結合の動的制御により、ユニタリ変換のリアルタイムプログラミングが可能となる。
• ネットワーク全体の結合係数および位相シフトを調整することで、任意のユニタリ行列の実現が可能となるように回路を設計している。
• 単一光子源および高効率検出器を用いて、3光子および4光子のボソンサンプリングを実験的に検証している。
• 複数の異なるユニタリ行列をプログラミングし、出力統計の整合性を確認することで、再構成可能性を実証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで再構成可能な3次元フォトリック回路は、ボソンサンプリングに必要な任意のユニタリ変換を実装できるか？
• RQ2 このようなプラットフォームは、動的再構成を可能にしつつ、どの程度低損失を維持できるか？
• RQ3 光子数およびモード数の増加に伴い、スケーラブルなボソンサンプリングを実証できるか？
• RQ4 実験的妥当性の確認に向け、多様なユニタリ行列を実現するための回路のプログラマビリティはどの程度高いか？

主な発見

• 3次元統合フォトリック回路は、ボソンサンプリングに適した多数のプログラマブルなユニタリ変換を正常に実装した。
• 3光子および4光子のボソンサンプリング実験が正常に実施され、プラットフォームの機能性が確認された。
• プラットフォームは低損失かつ高再構成性を示し、任意のユニタリ行列の動的プログラミングが可能である。
• より大きなシステムへのスケーリングの可能性が強く示唆された。