[논문 리뷰] Multi-photon boson-sampling machines beating early classical computers

Wang Hui, Yu He외 16명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 내성적인 다중 광자 간섭계와 능동식 디멀티플렉스화된 단일 광자 소스를 사용하여 고성능 광학 보존-샘플링 기계를 구현하였으며, 3-, 4-, 5광자 샘플링 속도가 각각 4.96 kHz, 151 Hz, 4 Hz에 도달하여 이전 실험보다 24,000배 이상 빠르게 하였고, ENIAC과 TRADIC와 같은 초기 고전 컴퓨터의 행렬 영구량 계산 속도를 초월하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전 보존-샘플링 실험에서 낮은 광자 수와 느린 샘플링 속도의 한계를 극복하기 위해.
• 확장 가능한 양자 우월성 실험을 방해하는 단일 광자 소스와 다중 포트 광학 간섭계의 비효율성 문제를 해결하기 위해.
• 샘플링 작업에서 초기 고전 컴퓨터를 능가할 수 있는 실용적이고 확장 가능한 광학 플랫폼을 구현하기 위해.
• 확장된 추론-튜링 논법에 반하는 실험적 증거를 제공하기 위해 광학 환경에서 양자 계산 우월성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 고정밀도 양자 상태 진화를 위해 0.99 전송율을 갖는 다중 광자 간섭계를 개발하였다.
• 고효율성, 순도, 불변성을 동시에 확보한 양자점-마이크로피라미드 기반의 능동식 디멀티플렉스화된 단일 광자 소스를 설계하였다.
• 고정밀 단일 광자 소원과 안정적인 간섭계를 통합하여 확장 가능한 광학 아키텍처를 구성하였다.
• 실험적 기준과 고전 계산 시간과의 비교를 통해 3-, 4-, 5광자 보존-샘플링을 검증하였다.
• 계산 과제로 유니터리 행렬의 영구량을 사용하였으며, 샘플링 속도를 역사적 고전 컴퓨터와 비교하였다.
• 광자 손실을 최소화하고 소스 및 장치의 안정성을 향상시켜 고속 샘플링을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 보존-샘플링 기계가 초기 고전 컴퓨터의 성능을 초월하는 샘플링 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고효율 단일 광자 소원과 저손실 간섭계가 보존-샘플링 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다중 광자 보존-샘플링이 실용적인 실험 환경에서 고전 계산에 비해 양자 우월성을 입증할 수 있는가?
• RQ4 이 아키텍처를 더 높은 광자 수로 확장하면서도 고성능을 유지하는 것이 가능한가?
• RQ5 이 시스템은 확장된 추론-튜링 논법에 반하는 실험적 증거를 제공하는가?

주요 결과

• 3광자 보존-샘플링 속도 4.96 kHz, 4광자 151 Hz, 5광자 4 Hz를 달성하여 이전 실험보다 24,000배 이상 빠름.
• ENIAC과 TRADIC가 3×3 행렬의 영구량을 계산하는 데 소요되는 시간을 초월하여 고전적 속도 향상을 입증함.
• 다중 광자 간섭계에서 0.99 전송율을 달성하여 정밀도와 안정성이 크게 향상됨.
• 양자점-마이크로피라미드 기술을 통해 고효율성, 고순도성, 고불변성을 동시에 확보한 고성능 단일 광자 소원을 구현함.
• 이론적 예측과의 일致성 검증 및 벤치마킹을 통해 샘플링 결과의 정확성을 검증함.
• 더 높은 광자 수로의 양자 계산 우월성 추구를 위한 확장 가능한 광학 플랫폼을 구축함.