[论文解读] Boson Sampling in a reconfigurable continuously-coupled 3D photonic circuit.
本文提出一种紧凑、可重构的三维光子电路,用于玻色采样,实现了低损耗、高可扩展性的可编程幺正变换。作者展示了3光子和4光子玻色采样实验,证明了该平台能够实现大量任意幺正矩阵,使其成为光子量子优势的可扩展解决方案。
Boson Sampling is a computational paradigm representing one of the most viable and pursued approaches to demonstrate the regime of quantum advantage. Recent results have demonstrated significant technological leaps in single-photon generation and detection, leading to progressively larger experimental instances of Boson Sampling experiments in different photonic systems. However, a crucial requirement for a fully-fledged platform solving this problem is the capability of implementing large scale interferometers, that must simultaneously exhibit low losses, high degree of reconfigurability and the realization of arbitrary transformations. In this work, we move a step forward in this direction by demonstrating the adoption of a novel compact and reconfigurable 3D-integrated platform for photonic Boson Sampling. We perform 3- and 4-photon experiments by using such platform, showing the possibility of programming the circuit to implement a large number of unitary transformations. These results show that such compact and highly-reconfigurable layout can be scaled up to experiments with larger number of photon and modes, and can provide a viable direction for hybrid computing with photonic processors.
研究动机与目标
- 开发一种可扩展、低损耗的光子平台,能够实现玻色采样所需的任意幺正变换。
- 解决在光子量子处理器中集成大规模、可重构干涉仪的挑战。
- 在紧凑的三维集成架构中,证明可编程幺正变换的实验可行性。
- 为未来实现更大光子数和模式数的量子优势演示铺平道路。
提出的方法
- 作者利用具有连续耦合波导的三维集成光子电路,实现可重构性与低传播损耗。
- 通过集成电极实现对相移和耦合的动态控制,支持幺正变换的实时编程。
- 通过调节网络中各处的耦合系数和相移,使电路能够支持任意幺正矩阵。
- 通过单光子源和高效率探测器对系统进行实验验证,完成3光子和4光子玻色采样。
- 通过编程多个不同的幺正矩阵并验证输出统计,展示了系统的可重构性。
实验结果
研究问题
- RQ1紧凑、可重构的三维光子电路能否实现玻色采样所需的任意幺正变换?
- RQ2该平台在实现动态可重构的同时,能在多大程度上保持低损耗?
- RQ3该平台能否实现随着光子数和模式数增加的可扩展玻色采样?
- RQ4该电路在实现多种幺正矩阵以供实验验证方面,其可编程性如何?
主要发现
- 三维集成光子电路成功实现了大量用于玻色采样的可编程幺正变换。
- 成功展示了3光子和4光子玻色采样实验,证实了该平台的功能性。
- 该平台表现出低损耗和高可重构性,能够实现对任意幺正矩阵的动态编程。
- 结果表明,该平台在扩展至更大规模系统(更多光子和模式)方面具有强大潜力。
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