Gate-based emulation of boson sampling using photonic qubits

想象一个这样的世界：光不再仅仅沿直线传播，而是翩翩起舞、相互干涉，并创造出如果不依靠超级计算机就无法预测的图案。这就是量子光学领域，这是一个科学家们通过操纵被称为“光子”的单个光粒子来进行研究的物理分支。在这个世界里，最著名的“游戏”之一被称为玻色子采样（boson sampling）。把它想象成一场高风险的弹珠台游戏，但发射的不是金属球，而是将多个完全相同的光子射入一个由镜子和分束器组成的迷宫。当它们出来时，会落在不同的位置。棘手之处在于，因为这些光子是量子粒子，它们不仅仅是互相碰撞，还会发生干涉，从而创造出一个复杂的概率网络。预测它们究竟会落在何处的数学计算极其困难，对于一台标准的笔记本电脑来说，如果要解决一个足够大的迷宫问题，可能需要花费数千年的时间。这使得玻色子采样成为了一个完美的测试，用以观察量子机器是否能完成常规计算机根本无法完成的任务。

然而，这里有一个难点。为每一次实验都建造一个真实的、巨大的镜子迷宫既困难、昂贵又脆弱。如今大多数量子计算机并不使用光，而是使用微小的电路或被称为**量子比特（qubits）*的捕获原子。因此，一个悬而未决的问题是：我们能否使用这些标准的、基于逻辑门的量子计算机来模拟*这个光之迷宫游戏？根据这项新研究，答案是肯定的。该团队已经弄清楚了如何将光之迷宫的规则转化为量子比特的语言，从而在通用量子计算机上创建一个“虚拟”的玻色子采样器。

论文的核心思想：将光转化为逻辑

在这篇论文中，来自印度科学理工学院的 Aastha P. Zalone、S. P. Dinesh 和 C. M. Chandrashekar 研究人员展示了一份巧妙的“翻译指南”，让标准的量子计算机能够模仿复杂的光学系统行为。他们不仅构建了一台新机器，还构建了一种思考如何对其进行编程的新方式。

问题：两种不同的语言
想象你有一个用法语编写的书库，而你想在另一个只说英语（量子比特和量子门语言）的书库里阅读这些书。那些“法语”书籍描述了光子如何穿过分束器并产生干涉图案。而“英语”书库则使用一系列逻辑开关（门）来操纵比特。挑战在于，光子是“玻色子”，这意味着它们喜欢聚集在一起，而量子比特通常被视为独立的比特。为了让英语书库理解法语故事，你需要一本完美的字典。

解决方案：一种特殊的编码方式
作者开发了一种特定的“字典”或编码方案。他们弄清楚了如何将光子的状态（有多少个光子在哪些路径中）映射到一组量子比特上。

• 单光子情况： 如果只有一个光子，这很简单。就像一个灯光开关要么是开，要么是关。
• 双光子情况： 这才是精彩的部分。当涉及两个光子时，它们要么在同一条路径中，要么在不同路径中。作者使用辅助量子比特（ancilla qubits）（即辅助量子比特）创建了一个系统，充当“交通警察”。这个交通警察负责检查“房间”内是否有两个光子试图发生干涉。如果发生了，警察就会向量子门发出信号，执行创造干涉现象的特殊“舞蹈”。如果没有发生，量子门则保持静默。

这种方法使他们能够构建一个重复单元（repeating unit）——一个可以被复制和粘贴的标准代码块，用以模拟任何规模的光之迷宫。你不需要为每一个新实验都准备一台独特的、庞大的机器，你只需要将这些模块堆叠起来即可。

实验：四模测试驱动
为了证明他们的翻译指南有效，该团队不仅是在计算机上进行模拟，还构建了一个物理实验。他们使用了一个四量子比特光子系统。这听起来很矛盾（用光来模拟光？），但转折点在于：他们使用了一个通过四个不同的“自由度”（例如利用其路径和偏振作为四个独立的量子比特）进行编码的单光子。

他们搭建了一个小规模版本的玻色子采样游戏：一个带有三个分束器的四模干涉仪（一个微型光之迷宫）。他们测试了六种不同的初始位置（这些位置实际上是他们用来编码单光子的状态）。

• 他们针对每种设置运行了 15 次实验。
• 他们测量了光子最终落下的位置。
• 他们将这些现实世界的实验结果与完美玻色子采样场景下理论上的预期结果进行了对比。

结果：近乎完美的匹配
结果非常接近。团队报告称，对于所有输入状态，其实验结果与理论预测的平方经典保真度（squared classical fidelity）高于 0.9994。用通俗的话说，这意味着实验的准确率超过了 99.9%。实验观测值与数学预测值之间的差异极小，总变差距离（衡量误差的一种度量）小于 0.02（或 2%）。

这意味着什么
这篇论文并不声称解决了整个量子计算问题，也没有声称构建了一台能在所有方面都击败所有经典计算机的机器。相反，它提供了一个可扩展框架。它表明，如果你拥有一台通用量子计算机，你可以对其进行编程，以模拟复杂且难以计算的玻色子采样世界。

通过证明这种“翻译”在小规模范围内具有高准确性，作者表明，这种方法未来可以用于处理更大规模、更复杂的采样问题。他们认为，这种方法是“硬件无关的”，这意味着他们开发的逻辑理论上可以运行在不同类型的量子计算机上，而不局限于他们在实验室中使用的那一种。这是迈向让奇妙、美丽的量子干涉世界通过标准量子计算工具变得触手可及的重要一步。