[论文解读] Experimental Collision-Free Dominant Boson Sampling

Jun Gao, Zhi‐Qiang Jiao+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 5

一句话总结

该论文通过使用35模式的3D飞秒激光直写光子芯片，实现了迄今为止最大规模的实验玻色采样，实现了6,545个测量输出组合的无碰撞主导采样。通过行范数检验和似然比检验，验证了真实的玻色采样行为，标志着在集成光子平台实现量子优越性方面迈出了重要一步。

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.

研究动机与目标

• 在无碰撞主导采样区域实现大规模玻色采样，其计算困难性基于高斯矩阵永久值猜想。
• 通过扩大干涉仪规模，同时保持高保真度和低损耗，克服先前小规模实现的局限性。
• 验证实验数据确实源自真实的玻色采样器，而非均匀分布或可区分光子采样器等经典替代方案。
• 展示3D飞秒激光直写光子芯片在大规模量子信息处理中的可扩展性与可行性。

提出的方法

• 采用飞秒激光直写技术制备了35模式的3D光子芯片，构建了7×5截面的随机二维波导结构，以实现高维幺正演化。
• 使用自研的40输入通道多通道符合模块（MCCM），同时记录35个探测器上的全部6,545个无碰撞输出组合。
• 通过相干态注入和两光子Hong-Ou-Zheng干涉，表征幺正矩阵，获取变换的模和相位信息。
• 应用行范数估计器（RNE）检验，通过将事件概率与预期的(n/m)^n阈值进行比较，以区分玻色采样与均匀采样。
• 利用可区分光子与不可区分光子模型的概率进行似然比检验，以排除经典采样器的可能性。
• 数据采集持续近50小时，共积累570,312个四重符合事件，用于统计验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在集成光子平台上实验实现大规模玻色采样，且处于无碰撞主导区域？
• RQ2 所测得的输出分布是否表现出与真实玻色采样一致的统计特征，而非经典替代方案？
• RQ3 3D飞秒激光直写光子芯片在多大程度上能够实现可扩展、低损耗和高保真度的幺正演化，以支持量子采样？
• RQ4 在当前技术条件下，能否在大规模设置中实验逼近高斯矩阵永久值猜想？
• RQ5 多通道符合检测在高维玻色采样中，能否有效解析全部无碰撞输出事件空间？

主要发现

• 该实验实现了迄今为止最大规模的玻色采样，其完整希尔伯特空间维数为7,770，对应于35模式、3光子散射。
• 通过定制的多通道符合模块（MCCM），同时测量了全部6,545个无碰撞输出组合，实现了完整的统计验证。
• 行范数估计器检验证实，数据与均匀采样存在显著偏离，且计数器随时间单调增加。
• 似然比检验成功排除了可区分光子采样，显示真实玻色采样行为下计数器呈单调上升趋势。
• 通过强度测量和两光子干涉，完全表征了芯片的幺正矩阵，实现了模和相位的精确重构。
• 实验在约50小时内收集了570,312个四重符合事件，展示了在芯片上实现长时间、高精度量子关联测量的可行性。