論文の概要: Simulating lossy and partially distinguishable quantum optical circuits: theory, algorithms and applications to experiment validation and state preparation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.17742v1
• Date: Mon, 23 Dec 2024 17:45:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-24 15:57:20.568420
• Title: Simulating lossy and partially distinguishable quantum optical circuits: theory, algorithms and applications to experiment validation and state preparation
• Title（参考訳）: 損失および部分的に区別可能な量子光学回路のシミュレーション:理論、アルゴリズムおよび検証および状態準備への応用
• Authors: Jacob F. F. Bulmer, Javier Martínez-Cifuentes, Bryn A. Bell, Nicolás Quesada,
• Abstract要約: 我々は,光子数分布の計算が指数時間で可能であることを証明し,高速化を実現する。 その結果,Fock と Gaussian のボーソンサンプリングの検証試験において,大幅な高速化と精度の向上が得られた。 彼らはリアルなフォトニック回路のより効率的なシミュレーションへの道を開いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: To understand quantum optics experiments, we must perform calculations that consider the principal sources of noise, such as losses, spectral impurity and partial distinguishability. In both discrete and continuous variable systems, these can be modeled as mixed Gaussian states over multiple modes. The modes are not all resolved by photon-number measurements and so require calculations on coarse-grained photon-number distribution. Existing methods can lead to a combinatorial explosion in the time complexity, making this task unfeasible for even moderate sized experiments of interest. In this work, we prove that the computation of this type of distributions can be done in exponential time, providing a combinatorial speedup. We develop numerical techniques that allow us to determine coarse-grained photon number distributions of Gaussian states, as well as density matrix elements of heralded non-Gaussian states prepared in the presence of spectral impurity and partial distinguishability. These results offer significant speed-up and accuracy improvements to validation tests of both Fock and Gaussian boson samplers that rely on binned probability distributions. Moreover, they pave the way to a more efficient simulation of realistic photonic circuits, unlocking the ability to perform exact calculations at scales which were previously out of reach. In addition to this, our results, including loop Hafnian master theorems, may be of interest to the fields of combinatorics and graph theory.
• Abstract（参考訳）: 量子光学実験を理解するためには、損失、スペクトル不純物、偏微分可能性などのノイズの主源を考える計算をしなければならない。 離散変数系と連続変数系の両方において、これらは多重モード上の混合ガウス状態としてモデル化することができる。 モードは光子数測定によってすべて解決される訳ではなく、粗粒光子数分布の計算を必要とする。 既存の方法では、時間の複雑さが組み合わさって爆発する可能性があるため、このタスクは中程度の規模の興味を持つ実験では不可能である。 本研究では,このタイプの分布の計算が指数時間で可能であることを証明し,組合せ的高速化を実現する。 我々は、スペクトル不純物と偏微分性の存在下で準備された非ガウス状態の密度行列要素と同様に、ガウス状態の粗粒状光子数分布を決定できる数値的手法を開発した。 これらの結果は、結合確率分布に依存するフォックとガウスのボソンサンプリングの検証試験において、大幅な高速化と精度の向上をもたらす。 さらに、彼らはリアルなフォトニック回路のより効率的なシミュレーションへの道を開き、これまで到達できなかったスケールで正確な計算を行う能力を解き放った。 これに加えて、ループハフニアンのマスター定理を含む我々の結果は、組合せ論やグラフ理論の分野に関心があるかもしれない。

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