[论文解读] Mitigating linear optics imperfections via port allocation and compilation

Shreya P. Kumar, Leonhard Neuhaus+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

本文提出一种硬件感知的优化框架，通过定制的端口分配与编译技术，缓解光子干涉仪中线性光学器件的非理想性。通过校准芯片特异性非理想性（尤其是非理想分束比），并重新配置输入/输出端口分配，该方法将功耗降低数个数量级，同时在存在制造缺陷和非均匀分束比的情况下，将保真度提升超过11倍。

ABSTRACT

Linear optics is a promising route to building quantum technologies that operate at room temperature and can be manufactured scalably on integrated photonic platforms. However, scaling up linear optics requires high-performance operation amid inevitable manufacturing imperfections. We present techniques for enhancing the performance of linear optical interferometers by tailoring their port allocation and compilation to the on-chip imperfections, which can be determined beforehand by suitable calibration procedures that we introduce. As representative examples, we demonstrate dramatic reductions in the average power consumption of a given interferometer or in the range of its power consumption values across all possible unitary transformations implemented on it. Furthermore, we demonstrate the efficacy of these techniques at improving the fidelities of the desired transformations in the presence of fabrication defects. By improving the performance of linear optical interferometers in relevant metrics by several orders of magnitude, these tools bring optical technologies closer to demonstrating true quantum advantage.

研究动机与目标

• 解决可重构线性光学干涉仪中因电压驱动相位延迟器导致的高且可变的功耗问题。
• 缓解因制造引起的分束器比例不平衡导致的保真度退化问题。
• 开发一种适应芯片内部非理想性的校准与编译流水线，无需重新设计硬件。
• 实现近似恒定的工作温度与可扩展量子光子器件的性能提升。

提出的方法

• 引入端口分配作为自由度，重新分配输入/输出端口，以最小化单位变换下的总功耗。
• 开发一种定制编译器，基于校准后的分束比计算最优相位设置，以减少非理想分束器引起的误差。
• 采用包含已知单位变换下强度测量的校准程序，以估计实际分束器反射率。
• 应用基于梯度的优化方法（如Brent法），最小化期望输出与实测输出之间强度差异的范数，从而确定最优分束比估计值。
• 通过使用对分束比误差高度敏感的单位变换（例如处于“交叉”状态的Mach-Zehnder干涉仪）进行迭代校准，以最大化梯度响应。
• 将校准后的分束比估计与端口分配及定制编译相结合，联合优化性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 端口分配能否显著降低可编程干涉仪中总功耗与动态范围？
• RQ2 在不增加额外硬件的前提下，定制化硬件的编译器在多大程度上可缓解因非理想分束比导致的保真度损失？
• RQ3 当分束比在芯片上分布不均时，校准与编译技术的鲁棒性如何？
• RQ4 在存在真实制造缺陷的情况下，端口分配与定制编译的结合能否提升变换保真度？
• RQ5 实现准确分束比估计以有效缓解误差，所需的最少校准测量次数是多少？

主要发现

• 端口分配使干涉仪的总功耗降低数个数量级，实现近似恒定的工作温度。
• 通过最优端口分配，不同单位变换之间的功耗范围降低了多个数量级。
• 对于具有非均匀分束比的4模芯片，定制编译方法使保真度误差影响降低了11倍以上。
• 使用单个对分束比误差高度敏感的单位矩阵（如接近“交叉”状态的MZI）进行校准，可仅通过少量测量即实现分束器反射率的精确估计。
• 该方法在非均匀分束比下仍具鲁棒性：即使分束器在平均值0.47附近波动，标准差为0.005，优化仍能收敛至真实最小值0.469。
• 校准、端口分配与定制编译的结合，使具有真实非理想性的4模芯片上Haar-随机单位阵的保真度距离（误差度量）提升了11.5倍。