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Quantum computational advantage using photons
Han-Sen Zhong, Hui Wang, Yu-Hao Deng, Ming-Cheng Chen, Li-Chao Peng, Yi-Han Luo, Jian Qin, Dian Wu, Xing Ding, Yi Hu, Peng Hu, Xiao-Yan Yang, Wei-Jun Zhang, Hao Li, Yuxuan Li, Xiao Jiang, Lin Gan, Guangwen Yang, Lixing You, Zhen Wang, Li Li, Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan
TL;DR
Boson sampling을 계산적으로 의미 있는 영역으로 확장하는 일은 고전 컴퓨터에서 여전히 어려웠다. 이에 이 실험은 대규모 위상 안정 interferometer에서 squeezed states를 사용해 최대 76개의 photon-click을 관측했으며, state space는 10^30까지 도달했다.
문제
고전 컴퓨터에서는 문제 크기가 지수적으로 증가하기 때문에 boson sampling을 계산적으로 의미 있는 영역으로 확장하기가 여전히 어려웠다.
방법
이 실험은 random transformation을 구현하는 위상 안정 완전 연결 interferometer에서 single-mode squeezed states를 사용했다.
결과
최대 76개의 photon-click이 관측되었으며, state-space dimension은 10^30에 도달했다.
핵심 내용 및 한계
이 실험은 state space가 직접 검증된 소수 photon 수 영역을 훨씬 넘어서는 boson-sampling regime에 도달했다.
핵심 내용 및 한계
photon 수가 많은 경우의 결과는 직접 계산하고 검증할 수 없다.
Abstract
from arXiv · showhide
Gaussian boson sampling exploits squeezed states to provide a highly efficient way to demonstrate quantum computational advantage. We perform experiments with 50 input single-mode squeezed states with high indistinguishability and squeezing parameters, which are fed into a 100-mode ultralow-loss interferometer with full connectivity and random transformation, and sampled using 100 high-efficiency single-photon detectors. The whole optical set-up is phase-locked to maintain a high coherence between the superposition of all photon number states. We observe up to 76 output photon-clicks, which yield an output state space dimension of $10^{30}$ and a sampling rate that is $10^{14}$ faster than using the state-of-the-art simulation strategy and supercomputers. The obtained samples are validated against various hypotheses including using thermal states, distinguishable photons, and uniform distribution.
초록 · 본문
이 연구는 deterministic squeezed-state input과 안정화된 fully connected 100-mode photonic interferometer를 이용한 대규모 Gaussian boson sampling을 개발한다. 높은 photon-number quantum interference를 시연하고, competing hypothesis와 비교해 sample을 검증하며, sampling 성능을 classical computation과 benchmark한다.
- 본문: 이 실험은 computationally interesting boson sampling을 제한해 온 주요 scaling barrier인 source purity, indistinguishability, interferometer stability, transmission, detection efficiency, validation을 다룬다.기존 boson-sampling 시연은 14-photon detection에서 정점에 도달한 반면, 대규모 GBS는 이러한 조건을 동시에 충족해야 한다.
- 본문: 이 photonic platform은 graph-based problems, point processes, quantum chemistry에 응용될 수 있으며, 다른 quantum-state family로의 확장도 지원한다.이 논문은 대안적 state family의 예로 Fock, cat, NOON state를 제시한다.
- 본문: Gaussian boson sampling은 single-photon input을 deterministic하게 준비된 single-mode squeezed state로 대체하며, output probability는 계산적으로 어려운 Torontonian에 의해 결정된다.Torontonian은 Hafnian의 무한합이며 #P complexity class에 속한다.
- 본문: 이 실험은 76-photon coincidence와 10^30의 state-space dimension에 도달해, 기존 시연을 넘어서는 대규모 Gaussian boson sampling을 확립한다.200 s 동안 이 실험은 3,097,810건의 43-photon coincidence event와 하나의 76-photon coincidence를 기록한다.
- 본문: 측정된 sample은 genuine multiphoton quantum interference를 보이며, thermal-state behavior에서 크게 벗어나는 동시에 theoretical prediction과 일치한다.관측된 distribution은 검증한 competing hypothesis와도 유의하게 diverge하며 theoretical prediction과 일치한다.
- 본문: Photon number가 증가하면 classical simulation은 감당하기 어려워지며, 30 photons에서 ~0.03 s였던 시간이 50 photons에서 ~2 days로 늘어나고 70 photons 부근에서 정점에 이른다.classical cost를 장치의 sample volume까지 외삽하면 해당 계산에는 8×10^16 s, 즉 2.5 billion years가 소요된다.
Figure Captions
캡션은 GBS architecture, squeezed-light source, phase-locking system, experimental validation, classical computational-cost estimation을 설명한다. 이를 종합하면 source quality를 특성화하고 측정 분포와 이론 분포의 높은 일치도를 확인한 100-mode detector-based implementation을 기록한다.
- Implementation overview: GBS device는 50 single-mode squeezed states를 100-mode interferometer에 주입하고 100 single-photon detectors로 출력을 샘플링한다.
- Quantum light sources: 25개의 squeezed-light sources는 12-nm filter 후 평균 purity 0.938과 평균 efficiency 0.628을 보인다.
- Phase locking: Active phase locking은 heterodyne detection과 real-time PID feedback을 사용해 photon sources에서 interferometer까지의 optical phases를 안정화한다.
- Classical computational cost: Classical computational-cost figure는 Sunway TaihuLight supercomputer에서의 sampling time을 추정하며, error bars는 Poissonian counting statistics에서 얻는다.
- Experimental validation: 23개의 input sets에서 measured two-photon distributions는 theory 대비 평균 fidelity 0.990(1)과 total variation distance 0.103(1)을 달성한다.