[논문 리뷰] Boson Sampling in a reconfigurable continuously-coupled 3D photonic circuit.

Francesco Hoch, Simone Piacentini외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 15.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저손실 및 고확장성으로 프로그래머블 유니타리 변환을 구현할 수 있는 컴act하고 재구성 가능한 3D 광학 회로를 제안한다. 저자들은 3- 및 4-광자 보존 샘플링 실험을 수행하여 플랫폼이 다양한 유니타리 행렬을 구현할 수 있음을 입증하며, 광학 양자 우월성에 대한 확장 가능한 솔루션으로서의 위치를 확립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 보존 샘플링을 위한 임의의 유니타리 변환을 수행할 수 있는 확장 가능하고 저손실의 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 광학 양자 프로세서에서 대규모 재구성 가능한 간섭계를 통합하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 컴act한 3D 통합 아키텍처에서 프로그래머블 유니타리 변환의 실험적 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 향후 더 많은 광자 및 모드 수로 확장하여 양자 우월성 증명을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 연속적으로 결합된 웨이브가이드를 갖춘 3D 통합 광학 회로를 사용하여 재구성 가능성과 저손실을 달성한다.
• 통합 전극을 통해 위상 이동과 결합도를 동적으로 제어함으로써 실시간으로 유니타리 변환을 프로그래밍할 수 있도록 한다.
• 네트워크 전반의 결합 계수와 위상 이동을 조정하여 임의의 유니타리 행렬을 지원하도록 회로를 설계한다.
• 단일 광자 소스와 고효율 검출기를 사용하여 3- 및 4-광자 보존 샘플링을 수행함으로써 시스템을 실험적으로 검증한다.
• 다양한 고유한 유니타리 행렬을 프로그래밍하고 출력 통계를 검증함으로써 재구성 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴act하고 재구성 가능한 3D 광학 회로가 보존 샘플링에 필요한 임의의 유니타리 변환을 수행할 수 있는가?
• RQ2 이러한 플랫폼은 동적 재구성 기능을 제공하면서도 어느 정도 저손실을 유지할 수 있는가?
• RQ3 더 많은 광자 및 모드 수로 증가함에 따라 확장 가능한 보존 샘플링을 구현할 수 있는가?
• RQ4 실험적 검증을 위해 다양한 유니타리 행렬을 실현하는 데 있어 회로의 프로그래머블성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 3D 통합 광학 회로는 보존 샘플링을 위한 다수의 프로그래머블 유니타리 변환을 성공적으로 구현하였다.
• 3- 및 4-광자 보존 샘플링 실험은 성공적으로 수행되었으며, 플랫폼의 기능성을 확인하였다.
• 플랫폼는 저손실과 고재구성 가능성을 보이며, 임의의 유니타리 행렬을 실시간으로 프로그래밍할 수 있었다.
• 결과는 더 많은 광자 및 모드를 포함하는 더 큰 시스템으로의 확장 가능성이 높다는 것을 시사한다.