[论文解读] Boson sampling with ultracold atoms in a programmable optical lattice

Carsten Robens, Íñigo Arrazola+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本文提出一种基于可编程光晶格中冷原子的玻色采样装置，利用四模干涉仪中两个不可区分原子的Hong-Ou-Mandel干涉作为核心演示。作者建立了一个主方程模型，表明当 N ≳ 40 个玻色子时，可实现超越经典超级计算机的量子优势，为近期内实现可扩展、耐损耗的量子优势提供了一个平台。

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 $N \gtrsim 40$.

研究动机与目标

• 利用可编程光晶格中的冷原子实现可扩展、耐损耗的玻色采样装置。
• 通过四模干涉仪中不可区分原子实现两玻色子Hong-Ou-Mandel干涉，作为基本构建模块的演示。
• 采用主方程方法对真实退相干和双体损失效应下的采样成功率进行建模与预测。
• 估算在被捕获原子系统中实现玻色采样量子优势的阈值，表明在 N ≳ 40 时具有可行性。

提出的方法

• 利用偏振合成的光晶格构建可编程、可重构的干涉仪，用于冷玻色子原子。
• 采用四模干涉仪，将两个不可区分的 87Rb 原子制备在叠加态，以实现Hong-Ou-Mandel干涉。
• 应用主方程模型描述退相干和双体损失，时间依赖的衰减速率由实验参数推导得出。
• 使用蒙特卡洛模拟分析实验HOM数据，考虑光致碰撞和探测效率不足的影响。
• 将模拟结果与实测数据拟合，提取聚束概率 P_bunch = 73(6)%，验证实验协议的有效性。
• 评估总成功概率随双体损失时间常数 τ_TB 的变化，表明当 τ_TB ≲ t_exec 时，P_step(t_step)^M 是一个有效的下界。

实验结果

研究问题

• RQ1 可编程光晶格中的冷原子能否用于实现可扩展的玻色采样装置？
• RQ2 双体损失和退相干对捕获原子玻色采样成功率有何影响？
• RQ3 在该平台上，当粒子数 N 达到多少时，可实现超越经典超级计算机的量子优势？
• RQ4 当探测受限于光致碰撞时，实验HOM干涉数据的建模精度如何？
• RQ5 主方程模型能否准确预测在真实损失条件下采样成功率的衰减？

主要发现

• 在四模干涉仪中，利用两个不可区分的冷原子实现Hong-Ou-Mandel干涉的实验演示，证实了核心量子操作的可行性。
• 测得的聚束概率为 P_bunch = 73(6)%，与量子统计一致，并通过探测效率不足的蒙特卡洛分析得到验证。
• 单原子存活概率 S 测得为 84(1)%，受限于横向冷却过程中的损失。
• 主方程模型准确预测了成功率的衰减，当 τ_TB ≲ t_exec 时，P_step(t_step)^M 是一个有效的下界。
• 理论分析表明，该系统在 N ≳ 40 个玻色子时可实现超越经典超级计算机的量子优势。
• 该平台对实验误差具有鲁棒性，支持其作为NISQ时代量子采样设备的可行性。