[論文レビュー] Multi-photon boson-sampling machines beating early classical computers

Wang Hui, Yu He+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、頑丈な多光子干渉計とアクティブにデマルチプレックス化された単一光子源を用いた高性能な光子的ボソンサンプリング装置を示しており、3、4、5光子のサンプリングレートがそれぞれ4.96 kHz、151 Hz、4 Hzに達した。これは、以前の実験よりも24,000倍以上速く、ENIAC や TRADIC のような初期の古典的コンピュータが行列の恒等式を計算するのと同等の速度を超えている。

ABSTRACT

Boson sampling is considered as a strong candidate to demonstrate the quantum computational supremacy over classical computers. However, previous proof-of-principle experiments suffered from small photon number and low sampling rates owing to the inefficiencies of the single-photon sources and multi-port optical interferometers. Here, we develop two central components for high-performance boson sampling: robust multi-photon interferometers with 0.99 transmission rate, and actively demultiplexed single-photon sources from a quantum-dot-micropillar with simultaneously high efficiency, purity and indistinguishability. We implement and validate 3-, 4-, and 5-photon boson sampling, and achieve sampling rates of 4.96 kHz, 151 Hz, and 4 Hz, respectively, which are over 24,000 times faster than the previous experiments, and over 220 times faster than obtaining one sample through calculating the matrices permanent using the first electronic computer (ENIAC) and transistorized computer (TRADIC) in the human history. Our architecture is feasible to be scaled up to larger number of photons and with higher rate to race against classical computers, and might provide experimental evidence against the Extended Church-Turing Thesis.

研究の動機と目的

• 従来のボソンサンプリング実験における光子数の低さと遅いサンプリングレートという制限を克服すること。
• スケーラブルな量子優位性の実証を妨げる単一光子源および多ポート光干渉計の非効率性に対処すること。
• サンプリングタスクにおいて初期の古典的コンピュータを上回る実用的でスケーラブルな光子プラットフォームを実現すること。
• 光子的環境における量子計算優位性の実験的証明を通じて、拡張チャーチ＝チューリング仮説に反する証拠を提供すること。

提案手法

• 高い忠実度の量子状態遷移を実現するため、0.99の透過率を持つ多光子干渉計を開発した。
• 高い効率、純度、不変性を同時に達成するため、量子ドット・マイクロピラーから構成されるアクティブにデマルチプレックス化された単一光子源を設計した。
• 高忠実度の単一光子源と安定した干渉計を統合し、スケーラブルな光子アーキテクチャを構築した。
• 実験的ベンチマークと古典的計算時間との比較を通じて、3、4、5光子ボソンサンプリングを検証した。
• 計算タスクとしてユニタリ行列の恒等式を用い、サンプリングレートを歴史的な古典的コンピュータと比較した。
• 光子損失を最小限に抑え、光源およびデバイスの安定性を向上させることで、高いサンプリングレートを達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子的ボソンサンプリング装置は、初期の古典的コンピュータを上回るサンプリングレートを達成できるか？
• RQ2 高効率の単一光子源および低損失干渉計は、ボソンサンプリング性能をどの程度向上させ得るか？
• RQ3 多光子ボソンサンプリングは、実験的条件下で古典的計算に対して量子優位性を示せるか？
• RQ4 このアーキテクチャをより高い光子数にスケーリング可能か？
• RQ5 このシステムは、拡張チャーチ＝チューリング仮説に反する実験的証拠を提供するか？

主な発見

• 3光子ボソンサンプリングで4.96 kHz、4光子で151 Hz、5光子で4 Hzのサンプリングレートを達成。これは、以前の実験よりも24,000倍以上速い。
• ENIAC や TRADIC が3×3行列の恒等式を計算するのに要する時間よりもサンプリングレートが速く、古典的高速化を示した。
• 多光子干渉計で0.99の透過率を達成。忠実度と安定性が顕著に向上した。
• 量子ドット・マイクロピラー技術を用いて、同時に高い効率、純度、不変性を達成した高性能単一光子源を実現した。
• 理論的予測との整合性チェックとベンチマークを通じて、サンプリング結果の正しさを検証した。
• より高い光子数での量子計算優位性の実現に向けて前進できる、スケーラブルな光子プラットフォームを確立した。