[論文レビュー] Quantum-to-classical transition in many-body bosonic interference

Jelmer J. Renema, V. S. Shchesnovich+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、残りの粒子が古典的に干渉する小さなボソン群間の理想干渉として、不完全なマルチボソン干渉をモデル化するフレームワークを提案する。主な結果は、有効な量子干渉スケールがシステムサイズに依存せず、不完全性のレベルにのみ依存することであり、ボソン系プラットフォームのスケーラブルなベンチマークを可能にする。

ABSTRACT

Bosonic many-body systems are prominent candidates for a quantum advantage demonstration, with the most popular approaches being either a quantum simulation beyond the reach of current classical computers, or a demonstration of boson sampling. It is a crucial open problem to understand how resilient such quantum advantage demonstrations are to imperfections such as boson loss and particle distinguishability. We partially solve this problem by showing that imperfect multi-boson interference can be efficiently approximated as ideal interference of groups of smaller number of bosons, where the other particles interfere classically. Crucially, the number of bosons undergoing interference in our approxmation only depends on the level of imperfections, but is independent of the actual number of particles. This allows us to construct a simple but stringent benchmark for comparing many-body bosonic technological platforms.

研究の動機と目的

• 粒子の区別可能性や損失などの不完全性に対するボソン系における量子優位性の実証の耐性を理解すること。
• 多数のボソン系干渉に及ぼす不完全性の影響を効率的にモデル化・定量化するという未解決問題に取り組むこと。
• システムサイズに依存しない量子寄与を干渉から分離するベンチマークを開発すること。
• 現実的な不完全性下でのさまざまな多数体ボソン技術的プラットフォームを比較するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 不完全なマルチボソン干渉を、小さなボソン群間の理想干渉と残りの粒子による古典的干渉の混合としてモデル化すること。
• 全多数体状態を、固定された数のボソンが干渉を示すクラスタに分解すること。この数は不完全性のレベルによって決定される。
• 干渉に参加するボソンの数をシステム全体の粒子数ではなく、不完全性の度合いに合わせてスケーリングするパrameterized近似を用いること。
• 古典的背景が、量子干渉に寄与しない同一粒子から生じるように近似を定式化すること。
• 量子的・古典的寄与を分離する出力確率分布のスケーラブルな表現を導出すること。
• 近似が不完全干渉の本質的特徴を捉えつつ、計算的にも効率的であることを示して、近似を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子の区別可能性や損失が存在する中で、不完全なマルチボソン干渉をどのように効率的に近似できるか。
• RQ2 与えられた不完全性レベル下で、実際に量子干渉に寄与するボソンの有効な数は何か。
• RQ3 システムサイズに依存しない量子成分を干渉から分離するベンチマークを構築できるか。
• RQ4 粒子が完全に区別不能でない場合、干渉の構造はどのように変化するか。
• RQ5 古典的干渉は、不完全なボソン系で観測される統計のどの程度を説明できるか。

主な発見

• 不完全なマルチボソン干渉は、システムサイズに依存せず、固定された数のボソン間の理想干渉として正確に近似可能である。
• 量子干渉に参加するボソンの数は、全粒子数ではなく不完全性のレベルにのみ依存する。
• 残りの粒子は、有効に量子コアから分離された古典的干渉によって出力分布に寄与する。
• 提案された近似により、さまざまなボソン系プラットフォームの量子優位性の可能性を評価するスケーラブルなベンチマークが可能になる。
• フレームワークにより、干渉における量子的・古典的寄与が明確に分離され、性能評価が簡素化される。
• 主なパrameterがシステムサイズではなく不完全性のレベルに依存するため、この手法は大規模系に対しても効率的かつ予測可能である。