[论文解读] Multi-photon boson-sampling machines beating early classical computers

Wang Hui, Yu He+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 15被引用 9

一句话总结

本论文展示了一种基于稳健多光子干涉仪和主动分复用单光子源的高性能光子玻色采样机器，实现了3、4和5光子采样率分别达到4.96 kHz、151 Hz和4 Hz——比以往实验快超过24,000倍，且在计算矩阵永久值方面超越了ENIAC和TRADIC等早期经典计算机的速度。

ABSTRACT

Boson sampling is considered as a strong candidate to demonstrate the quantum computational supremacy over classical computers. However, previous proof-of-principle experiments suffered from small photon number and low sampling rates owing to the inefficiencies of the single-photon sources and multi-port optical interferometers. Here, we develop two central components for high-performance boson sampling: robust multi-photon interferometers with 0.99 transmission rate, and actively demultiplexed single-photon sources from a quantum-dot-micropillar with simultaneously high efficiency, purity and indistinguishability. We implement and validate 3-, 4-, and 5-photon boson sampling, and achieve sampling rates of 4.96 kHz, 151 Hz, and 4 Hz, respectively, which are over 24,000 times faster than the previous experiments, and over 220 times faster than obtaining one sample through calculating the matrices permanent using the first electronic computer (ENIAC) and transistorized computer (TRADIC) in the human history. Our architecture is feasible to be scaled up to larger number of photons and with higher rate to race against classical computers, and might provide experimental evidence against the Extended Church-Turing Thesis.

研究动机与目标

• 为克服以往玻色采样实验中光子数低和采样速率慢的局限性。
• 解决单光子源和多端口光学干涉仪效率低下问题，以促进可扩展量子优势演示。
• 实现一种实用且可扩展的光子平台，使其在采样任务中超越早期经典计算机。
• 通过在光子系统中展示量子计算优越性，为反驳扩展的邱奇-图灵论题提供实验证据。

提出的方法

• 开发了具有0.99传输率的多光子干涉仪，以实现高保真度的量子态演化。
• 利用量子点微柱结构，工程化出高效、高纯度和高不可区分性的主动分复用单光子源。
• 将高保真度单光子源与稳定干涉仪集成到可扩展的光子架构中。
• 通过实验基准测试和与经典计算时间的对比，验证了3、4和5光子玻色采样。
• 采用酉矩阵的永久值作为计算任务，将采样速率与历史经典计算机进行比较。
• 通过最小化光子损耗并提升源和器件稳定性，实现了高采样速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子玻色采样机器能否实现超越早期经典计算机的采样速率？
• RQ2 高效率单光子源和低损耗干涉仪在多大程度上可提升玻色采样性能？
• RQ3 在实际实验环境中，多光子玻色采样能否展示对经典计算的量子优势？
• RQ4 该架构在保持高性能的前提下，是否可扩展至更高光子数？
• RQ5 该系统是否能为反驳扩展的邱奇-图灵论题提供实验证据？

主要发现

• 实现了3光子玻色采样速率4.96 kHz、4光子采样速率151 Hz、5光子采样速率4 Hz——比以往实验快超过24,000倍。
• 采样速率超过ENIAC和TRADIC计算3×3矩阵永久值所需时间，证明了经典计算的加速效果。
• 多光子干涉仪实现了0.99的传输率，显著提升了保真度和稳定性。
• 通过量子点微柱技术，实现了同时具备高效率、高纯度和高不可区分性的高性能单光子源。
• 通过基准测试和与理论预测的一致性检查，验证了采样结果的正确性。
• 建立了一个可扩展的光子平台，能够通过增加光子数推动实现量子计算优越性。