[논문 리뷰] Experimental Collision-Free Dominant Boson Sampling

Jun Gao, Zhi‐Qiang Jiao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 24.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 35모드 3차원 펄스 레이저로 직접 작성한 광학 칩을 사용하여 현재까지 가장 대규모의 실험적 보존 샘플링을 구현하였으며, 6,545개의 측정된 출력 조합을 가진 충돌 없는 주로 샘플링을 달성하였다. 행렬 노름 및 가능도 비율 검증을 통해 진정된 보존 샘플링 행동이 검증되었으며, 통합 광학 플랫폼에서 양자 우월성에 대한 중요한 단계를 밟았다.

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.

연구 동기 및 목표

• 계산의 난이도가 가우시안 행렬식 추측에 기반하는 충돌 없는 주로 샘플링 영역에서 대규모 보존 샘플링을 달성하기 위해.
• 이전의 소규모 구현의 한계를 극복하고, 고해상도 및 저손실을 유지하면서 간섭계 크기를 확장하기 위해.
• 실험 데이터가 진정된 보존 샘플러에서 유래한 것이며, 균일하거나 구별 가능한 광자 샘플러와 같은 고전적 대체자로부터 유래한 것이 아님을 검증하기 위해.
• 대규모 양자 정보 처리를 위한 3차원 펄스 레이저로 직접 작성된 광학 칩의 확장성과 실현 가능성 입증하기 위해.

제안 방법

• 35모드 3차원 광학 칩을 펄스 레이저 직접 작성 기술로 제작하여, 고차원 유니터리 변환을 위한 7×5 교차단면을 가진 무작위 2차원 파손도 구조를 생성하였다.
• 35개의 검출기 전역에서 충돌 없는 모든 6,545개의 출력 조합을 동시에 기록하기 위해 40개 입력 채널을 갖는 자체 개발 다중채널 공진 모듈(MCCM)을 사용하였다.
• 코herent 상태 주입과 두 광자 홍-오우-징 간섭을 활용하여 유니터리 행렬을 특성화하였으며, 변환의 크기와 위상 정보를 모두 회복하였다.
• 행렬 노름 추정기(RNE) 검증을 통해 이벤트 확률을 (n/m)^n 기준값과 비교하여 보존 샘플링과 균일 샘플링을 구별하였다.
• 구별 불가능한 광자 모델과 구별 가능한 광자 모델의 확률을 사용하여 가능도 비율 검증을 수행하여 고전적 샘플러를 배제하였다.
• 약 50시간 동안 데이터를 수집하여 통계적 검증을 위한 총 570,312개의 4중 공진 이벤트를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 광학 플랫폼을 사용하여 충돌 없는 주로 샘플링 영역에서 대규모 보존 샘플링을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 측정된 출력 분포가 진정된 보존 샘플링의 통계적 특징을 보이며, 고전적 대안과는 다를 수 있는가?
• RQ3 3차원 펄스 레이저로 직접 작성된 광학 칩이 대규모, 저손실, 고해상도 유니터리 진화를 위해 얼마나 효과적으로 확장 가능한가?
• RQ4 현재 기술로 대규모 환경에서 가우시안 행렬식 추측에 실험적으로 접근할 수 있는가?
• RQ5 다중채널 공진 검출은 고차원 보존 샘플링에서 충돌 없는 출력 이벤트의 전체 공간을 얼마나 효과적으로 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 이 실험은 현재까지 가장 대규모의 보존 샘플링을 달성하였으며, 35모드 3광자 산란에 해당하는 전체 힐베르트 공간 차원 수 7,770을 확보하였다.
• 고유의 다중채널 공진 모듈(MCCM)을 사용하여 충돌 없는 모든 6,545개의 출력 조합을 동시에 측정함으로써 통계적 검증이 완전히 가능해졌다.
• 행렬 노름 추정기 검증을 통해 데이터가 균일 샘플링과 유의미하게 다름을 확인하였으며, 시간이 지남에 따라 카운터가 단조적으로 증가함을 보였다.
• 가능도 비율 검증을 통해 구별 가능한 광자 샘플링이 성공적으로 배제되었으며, 진정된 보존 샘플링 행동에서 카운터가 단조적으로 증가하는 경향을 보였다.
• 강도 측정과 두 광자 간섭을 통해 칩의 유니터리 행렬을 완전히 특성화하였으며, 크기와 위상 정보를 정밀하게 재구성할 수 있었다.
• 약 50시간 동안 총 570,312개의 4중 공진 이벤트를 수집하여, 칩 내에서 장시간에 걸친 고정밀도 양자 상관 측정의 실현 가능성을 입증하였다.