[논문 리뷰] Scattershot multiboson correlation sampling with random photonic inner-mode multiplexing

Vincenzo Tamma, Simon Laibacher|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 입력 광자의 상관되지 않은 스펙트럼 및 시간적 성질에도 불구하고 확장 가능한 라이트본 샘플링을 달성하기 위해 랜덤 광학 내모드 다중화를 사용하는 산산이 흩어진 다보존 상관 샘플링 프로토콜을 제안한다. 선형 간섭계의 입력과 출력에서 시간과 주파수에서의 상관관계를 측정함으로써, 이 방법은 높은 다광자 간섭 정밀도를 유지하고 고전적 계산의 난이도를 보장하여 양자 우월성 실험의 실험적 확장성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Multiphoton interference is an essential phenomenon at the very heart not only of fundamental quantum optics and applications in quantum information processing and sensing but also of demonstrations of quantum computational supremacy in boson sampling experiments relying only on linear optical interferometers. However, scalable boson sampling experiments with either photon-number states or squeezed states are challenged by the need to generate a large number of photons with fixed temporal and frequency spectra from one experimental run to another. Unfortunately, even the well established standard multiplexing techniques employed to generate photons with fixed spectral properties are affected by the detrimental effects of losses, spectral distorsions and reduction in purity. Here, we employ sampling correlation measurements in the photonic inner modes, time and frequency, at the interferometer input and output to ensure the occurrence of multiphoton interference even with pure states of input photons with random spectral overlap from one sample to another. Indeed, by introducing a random multiplexing technique where photons are generated with random inner-mode parameters, it is possible to substantially enhance the probability to successfully generate samples and overcome the typical drawbacks in standard multiplexing. Remarkably, we demonstrate the classical hardness of the resulting problem of scattershot multiboson correlation sampling based on this technique. Therefore, these results not only shed new light in the computational complexity of multiboson interference but also allow us to enhance the experimental scalability of boson sampling schemes with the potential of future applications in quantum information processing and sensing even beyond boson sampling.

연구 동기 및 목표

• 대규모 라이트본 샘플링에서 동일한 광자를 고정된 스펙트럼 및 시간적 성질로 생성하는 데 있어 실험적 과제를 해결하기 위해.
• 손실, 스펙트럼 왜곡, 광자 생성 시 순도 감소 등의 표준 다중화 기법의 한계를 극복하기 위해.
• 입력 광자의 랜덤 내모드 파rameter를 활용하면서도 계산의 난이도를 유지함으로써 확장 가능한 라이트본 샘플링을 가능하게 하기 위해.
• 상관되지 않은 입력 광자 파arameter 조건 하에서도 랜덤 스펙트럼 및 시간적 겹침을 포함한 다보존 상관 샘플링이 여전히 고전적으로 난이도가 높다는 것을 입증하여 양자 우위를 보장하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 다중 실행 동안 랜덤 주파수 및 시간 파arameter를 가진 입력 광자를 생성함으로써 랜덤 광학 내모드 다중화를 구현한다.
• 선형 간섭계의 입력과 출력에서 시간과 주파수의 쌍대 변수에서 상관관계 측정을 수행하여 다광자 간섭을 탐지한다.
• 감지 사건의 확률 분포는 유니터리 변환 요소, 주파수 겹침, 시간 지연를 포함한 행렬의 행렬식에 기반한다: $\left|\operatorname{perm}\left(\left[\mathcal{U}_{ds}\xi(\omega_d - \omega_s)\mathrm{e}^{i\omega_d t_s}\right]_{d\in\mathcal{D}, s\in\mathcal{S}}\right)\right|^2$.
• 표준 산산이 흩어진 라이트본 샘플링과 달리, 랜덤 스펙트럼 겹침이 존재하더라도 성공적 샘플링 확률은 광자 수가 증가함에 따라 증가함을 보장한다.
• 이론적 분석은 주어진 랜덤 다중화 체계 하에서 샘플링 문제의 고전적 난이도가 유지됨을 확인하여 양자 우위를 보존한다.
• 감지기 해상도가 고전적 평균화를 방지하는 조건에서 방법이 검증되었으며, 이는 양자 상관관계가 흐려지지 않음을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입력 광자가 랜덤 스펙트럼 및 시간적 파arameter를 가질 경우 라이트본 샘플링에서 다광자 간섭이 신뢰성 있게 유지될 수 있는가?
• RQ2 랜덤 광학 내모드 다중화가 다보존 간섭 실험에서 유효한 샘플링 사건 생성의 성공 확률을 향상시키는가?
• RQ3 입력 광자 파arameter가 상관되지 않은 조건에서도 결과 샘플링 문제가 고전 컴퓨터에게 여전히 계산적으로 난이도가 높은가?
• RQ4 이 접근법은 동일한 입력 광자를 요구하지 않고도 확장 가능한 실험적 양자 계산 우월성의 실현을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 시간과 주파수에서의 상관관계 측정 덕분에, 입력 광자가 랜덤 스펙트럼 및 시간적 겹침을 가질 경우에도 높은 정밀도의 다광자 간섭을 달성한다.
• 광자 수가 증가함에 따라 성공적 샘플링의 확률이 증가하여 표준 산산이 흩어진 라이트본 샘플링의 확장성 한계를 극복한다.
• 출력 확률 분포가 랜덤 단위기저 및 스펙트럼 겹침 항을 포함한 행렬의 행렬식에 의해 결정되므로 샘플링 문제가 여전히 고전적으로 난이도가 높다.
• 감지기 해상도 제한 조건 하에서도 이 프로토콜은 강건하며, $\delta\omega|t_s - t_{s'}| \ll 1$ 및 $\delta\omega \ll \Delta\omega$ 조건을 만족할 경우에 한하여 유효하다.
• 이 방법은 표준 선형 광학 부품과 비헤일레드된 광원을 사용하여 확장 가능한 양자 우위 실험의 새로운 길을 열어준다.
• 이론적 분석은 랜덤 내모드 파arameter의 사용이 샘플링 작업의 양자 계산 난이도를 손상시키지 않음을 확인한다.