[논문 리뷰] Boson sampling with ultracold atoms in a programmable optical lattice

Carsten Robens, Íñigo Arrazola외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 프ограм가능한 광학 격자에 갇힌 초냉각 원자들을 이용한 보손 샘플링 장치를 제안하며, 네 모드 간섭계에서 두 개의 구분할 수 없는 원자가 겹치는 홍-오우-만델 간섭을 핵심 실험으로 활용한다. 저자들은 마스터 방정식 모델을 개발하여 N ≳ 40 보손에서 고전적 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자 우위가 달성 가능하다고 보여주며, 갇힌 원자를 이용한 근접한 양자 우위를 위한 확장 가능하고 손실에 강건한 플랫폼을 제공한다.

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 $N \gtrsim 40$.

연구 동기 및 목표

• 프로그래머블 광학 격자에 갇힌 초냉각 원자를 이용한 확장 가능하고 손실에 강건한 보손 샘플링 장치를 실현하기 위해.
• 네 모드 간섭계에서 구분할 수 없는 원자를 이용해 기본 구성 요소인 두 보손 홍-오우-만델 간섭을 실험적으로 구현하기 위해.
• 마스터 방정식 접근법을 사용하여 실재적인 디코herence 및 이중체 손실 효과를 고려한 샘플링 성공 확률을 모델링하고 예측하기 위해.
• 간직된 원자를 이용한 보손 샘플링에서의 양자 우위의 임계 조건을 추정하여 N ≳ 40에서의 실현 가능성을 보여주기 위해.

제안 방법

• 초냉각 보스온 원자를 위한 프로그래머블이고 재구성 가능한 간섭계를 만들기 위해 편광 합성 광학 격자를 활용한다.
• 두 개의 구분할 수 없는 87Rb 원자를 슈퍼포지션 상태로 준비하여 네 모드 간섭계를 구성함으로써 홍-오우-만델 간섭을 실현한다.
• 디코herence 및 이중체 손실을 기술하기 위해 마스터 방정식 모델을 적용하며, 실험적 매개변수에서 유도된 시간에 따라 변화하는 붕괴율을 사용한다.
• 빛에 의한 충돌과 검출 비효율성을 고려하여 실험적 HOM 데이터를 분석하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 모의 결과를 측정된 데이터에 맞추어 적합시켜 뭉치는 확률 P_bunch = 73(6)%를 추출하며, 실험 프로토콜의 타당성을 검증한다.
• 이중체 손실 시간 상수 τ_TB에 따른 총 성공 확률을 평가하여, τ_TB ≲ t_exec 인 경우 P_step(t_step)^M 이 유효한 하한값임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로그래머블 광학 격자에 갇힌 초냉각 원자를 이용해 확장 가능한 보손 샘플링 장치를 구현할 수 있는가?
• RQ2 이중체 손실과 디코herence는 갇힌 원자를 이용한 보손 샘플링의 성공 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 플랫폼에서 고전적 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자 우위가 실현 가능한 입자 수 N는 어느 정도인가?
• RQ4 검출이 빛에 의한 충돌로 제한될 경우 실험적 HOM 간섭 데이터는 얼마나 정확하게 모델링될 수 있는가?
• RQ5 마스터 방정식 모델은 실재적인 손실 조건 하에서 샘플링 성공 확률의 감쇠를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 네 모드 간섭계에서 두 개의 구분할 수 없는 초냉각 원자를 이용한 홍-오우-만델 간섭의 실험적 구현은 핵심 양자 연산의 실현 가능성과 일치함을 확인한다.
• 측정된 뭉치는 확률은 P_bunch = 73(6)%이며, 양자 통계와 일치하며 검출 비효율성의 몬테카를로 분석을 통해 검증되었다.
• 단일 원자 생존 확률 S는 84(1)%로 측정되었으며, 횡방향 냉각 과정 중 손실에 의해 제한되었다.
• 마스터 방정식 모델은 성공 확률 감쇠를 정확하게 예측하며, τ_TB ≲ t_exec 인 경우 P_step(t_step)^M 이 유효한 하한값임을 보였다.
• 이론적 분석은 이 시스템에서 N ≳ 40 보손에서 고전적 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자 우위가 달성 가능하다고 보여주었다.
• 이 플랫폼는 실험 오차에 대해 강건성을 보이며, NISQ 시대의 양자 샘플링 장치로서의 실현 가능성과 타당성을 지닌다.