[論文レビュー] Boson sampling with ultracold atoms in a programmable optical lattice

Carsten Robens, Íñigo Arrazola+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、プログラマブルな光格子内の超低温原子を用いたボソンサンプリング装置を提案し、4モード干渉計における2つの不変原子のホン＝オウ＝マーテル干渉をコアな実証として用いる。著者らはマスター方程式モデルを開発し、N ≳ 40ボソンにおいて古典的スーパーコンピュータを上回る量子優位性が達成可能であることを示しており、捕獲原子を用いた近い将来の量子優位性実現に向けたスケーラブルでロス耐性のあるプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Sampling from a quantum distribution can be exponentially hard for classical computers and yet could be performed efficiently by a noisy intermediate-scale quantum device. A prime example of a distribution that is hard to sample is given by the output states of a linear interferometer traversed by $N$ identical boson particles. Here, we propose a scheme to implement such a boson sampling machine with ultracold atoms in a polarization-synthesized optical lattice. We experimentally demonstrate the basic building block of such a machine by revealing the Hong-Ou-Mandel interference of two bosonic atoms in a four-mode interferometer. To estimate the sampling rate for large $N$, we develop a theoretical model based on a master equation that accounts for particle losses, but not include technical errors. Our results show that atomic samplers have the potential to achieve quantum advantage over today's best supercomputers with $N \gtrsim 40$.

研究の動機と目的

• プログラマブルな光格子内の超低温原子を用いたスケーラブルでロス耐性のあるボソンサンプリング装置の実現。
• 4モード干渉計における不変原子を用いた2ボソンのホン＝オウ＝マーテル干渉という基本的構成要素の実証。
• マスター方程式アプローチを用いて、現実的なデ coherent および2体損失効果を考慮したサンプリング成功確率のモデル化と予測。
• 捕獲原子を用いたボソンサンプリングにおける量子優位性の閾値を推定し、N ≳ 40で実現可能性を示す。

提案手法

• 偏光合成光格子を用いて、超低温ボソン原子のためのプログラマブルで再構成可能な干渉計を構築。
• 2つの不変87Rb原子を重ね合わせ状態に準備し、4モード干渉計を用いてホン＝オウ＝マーテル干渉を実現。
• デコherenceおよび2体損失を記述するため、時間に依存する崩壊率を実験パラメータから導出するマスター方程式モデルを適用。
• 光誘起衝突および検出非効率性を考慮した実験的HOMデータの分析にモンテカルロシミュレーションを用いる。
• シミュレーション結果を測定データにフィットさせ、束縛確率P_bunch = 73(6)%を抽出し、実験プロトコルの妥当性を検証。
• 2体損失時間定数τ_TBの関数としての全成功確率を評価し、τ_TB ≲ t_execの場合にP_step(t_step)^Mが有効な下限として成立することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プログラマブルな光格子内の超低温原子を用いて、スケーラブルなボソンサンプリング装置を実装可能か？
• RQ2 2体損失およびデコherenceは、捕獲原子を用いたボソンサンプリングの成功確率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 このプラットフォームにおいて、古典的スーパーコンピュータを上回る量子優位性が達成可能な粒子数Nはどの程度か？
• RQ4 検出が光誘起衝突によって制限される場合、実験的HOM干渉データはどの程度正確にモデル化可能か？
• RQ5 マスター方程式モデルは、現実的な損失条件下でのサンプリング成功確率の減衰を正確に予測できるか？

主な発見

• 4モード干渉計における2つの不変超低温原子を用いたホン＝オウ＝マーテル干渉の実験的実証により、コア量子操作の実現可能性が確認された。
• 測定された束縛確率はP_bunch = 73(6)%であり、量子統計と整合的であり、検出非効率性を考慮したモンテカルロ解析により検証された。
• 1原子生存確率Sは84(1)%として測定され、横方向冷却中の損失が制限要因であった。
• マスター方程式モデルは成功確率の減衰を正確に予測しており、τ_TB ≲ t_execの場合にP_step(t_step)^Mが有効な下限として成立することが示された。
• 理論的解析により、この系においてN ≳ 40ボソンで古典的スーパーコンピュータを上回る量子優位性が達成可能であることが示された。
• プラットフォームは実験的誤差に対して頑健であり、NISQ時代の量子サンプリング装置としての実現可能性を支持する。