[論文レビュー] Experimental Collision-Free Dominant Boson Sampling

Jun Gao, Zhi‐Qiang Jiao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、35モードの3次元フェムト秒レーザーライティング光集積回路を用いて、これまでで最大規模の実験的ボソンサンプリングを実現した。6,545個の測定出力組み合わせを衝突なしの優勢なサンプリングとして達成した。行ノルムおよび尤度比検定を用いて、真のボソンサンプリング動作が実証され、統合光子プラットフォーム上で量子優位性に向けた重要な一歩を踏み出した。

ABSTRACT

Quantum computation, aiming at tackling hard problems beyond classical approaches, has been flourishing with each passing day. Unfortunately, a fully scalable and fault-tolerant universal quantum computer remains challenging based on the current technology. Boson sampling, first proposed by Aaronson and Arkhipov, is commonly believed as the most promising candidate to reach the intermediate quantum computational milestone, namely, quantum supremacy. Following this leading proposal, many experimental implementations as well as variants of boson sampling have been shown. However, most of these works are limited to small scale and cannot fulfill the permanent-of-Gaussians conjecture. Here, we experimentally demonstrate the largest scale boson sampling in the collision-free dominant regime using multi-port interferometer in a 3D photonic chip. We measure all 6,545 no-collision output combinations and validate the experimental results. Our work shows the potential of 3D photonic chip platform and represents a solid step toward large scale boson sampling.

研究の動機と目的

• 計算の困難さがガウス過程の行列式に根ざす衝突なし優勢な領域における大規模ボソンサンプリングを達成すること。
• これまでの小規模実装の制限を克服し、干渉計のスケールを拡大しながらも、高い忠実度と低損失を維持すること。
• 実験データが真のボソンサンプラー由来であることを検証し、一様分布や区別可能な光子サンプラーといった古典的代替モデルを除外すること。
• 大規模量子情報処理に向けたスケーラビリティと実用性を示す、3次元フェムト秒レーザーライティング光集積回路の有効性を実証すること。

提案手法

• フェムト秒レーザー直接加工により、35モードの3次元光集積回路を製作。高次元ユニタリ推移を実現するため、7×5断面のランダム2次元波導構造を形成した。
• 40入力チャネルを備えた自作のマルチチャネル同時計数モジュール（MCCM）を用い、35検出器にわたる全6,545個の衝突なし出力組み合わせを同時に記録した。
• コherent状態注入と2光子のHong-Ou-Zheng干渉を用いてユニタリ行列を特徴付け、変換の絶対値と位相情報を両方回復した。
• 行ノルム推定器（RNE）検定を適用し、イベント確率を期待値(n/m)^nのしきい値と比較することで、ボソンサンプリングと一様サンプリングを区別した。
• 区別不能な光子モデルと区別可能な光子モデルの確率を用いた尤度比検定を実施し、古典的サンプラーの除外を図った。
• 約50時間にわたりデータ収集を行い、統計的検証のため570,312個の4重同時計数イベントを蓄積した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合光子プラットフォームを用いて、衝突なし優勢領域における大規模ボソンサンプリングが実験的に実現可能か。
• RQ2 測定された出力分布が、古典的代替モデルとは対照的に真のボソンサンプリングの統計的特徴を示すか。
• RQ3 3次元フェムト秒レーザーライティング光集積回路が、スケーラブルで低損失かつ高忠実度のユニタリ推移を実現する程度はどの程度か。
• RQ4 現在の技術で、ガウス過程の行列式の予想を大規模な設定で実験的に近づけることができるか。
• RQ5 マルチチャネル同時計数検出が、高次元ボソンサンプリングにおける衝突なし出力イベントの全空間をどの程度効果的に解像できるか。

主な発見

• 本実験は、35モード・3光子散乱に相当する7,770次元の完全なヒルベルト空間を有する、これまでで最大規模のボソンサンプリングを達成した。
• 独自開発のマルチチャネル同時計数モジュール（MCCM）を用いて、全6,545個の衝突なし出力組み合わせを同時に測定し、完全な統計的検証を可能にした。
• 行ノルム推定器検定により、データが一様サンプリングから顕著に逸脱していることが確認され、時間経過とともにカウンタが単調に増加した。
• 尤度比検定により、区別可能な光子サンプリングが明確に除外され、真のボソンサンプリング動作ではカウンタが単調に増加した。
• 強度測定と2光子干渉を用いてユニタリ行列を完全に特徴付け、絶対値および位相の両方を高精度で再構成した。
• 約50時間にわたり570,312個の4重同時計数イベントを収集し、オンチップでの長時間にわたる高精度な量子相関測定の実現可能性を示した。