Den fysiske grænse for kvanteoptik løser et mysterium om beregningskompleksitet

Lineær optik omfatter et af de bedste eksempler på demonstration af kvantefysik. Det virker ved stuetemperatur, og kan observeres med relativt enkle enheder. Lineær optik involverer fysiske processer, der bevarer det samlede antal fotoner. I det ideelle tilfælde, hvis der er 100 fotoner i begyndelsen, uanset hvor kompliceret den fysiske proces er, der vil være præcis 100 fotoner tilbage i sidste ende.

Fotoner er bosoniske ikke-interagerende partikler. Imidlertid, de kan stadig forstyrre hinanden, udviser ikke-trivielle kvanteeffekter. Et typisk eksempel er Hong-Ou-Mandel-eksperimentet, hvor to identiske fotoner sendes til en eksperimentel enhed. Efter en simpel lineær transformation, de to fotoner ser ud som om de sidder fast og er uvillige til at adskille. Ud over at give en grundlæggende forståelse af kvantemekanik, undersøgelsen af ​​lineær optik har også ført til mange videnskabelige anvendelser.

I de seneste år, de unikke egenskaber ved lineære optiske systemer har også inspireret udviklingen af ​​beregningskompleksitetsteori. I 2012, Professor Scott Aaronson ved MIT (i øjeblikket ved University of Texas i Austin) foreslog en lineær optisk metode til at demonstrere den kvante (beregningsmæssige) overlegenhed, som er baseret på begrebet bosonprøvetagning. Mere specifikt, Aaronson foreslog, at for en klasse af prøveudtagningsproblemer baseret på lineære optiske systemer, det ville i praksis være umuligt at anvende nogen klassisk computer til simulering. Denne idé udløser straks en race for at nå status som "kvanteoverherredømme". Mange kvanteoptiske laboratorier rundt om i verden er blevet interesseret i at udvikle bosonprøveudtagningssystemer til at slå rekorder med hensyn til fotonantal. På den anden side, edb -forskere har travlt med at anvende supercomputere til at hæve barren for at opnå kvanteoverlegenhed.

Imidlertid, hvad angår praktiske problemer, anvendelse af modellen med bosonprøvetagning er ikke en god tilgang. Derfor, Aaronson rejste et spørgsmål i 2012:Bortset fra prøveudtagningsproblemer, kan forskere udnytte lineær optik til at opnå kvanteoverlegenhed med hensyn til beslutningsproblemer med et JA/NEJ svar? For nylig, Prof. Man-Hong Yung, lektor i SUSTech og hans kolleger udgav et papir med titlen "Universal bundet til prøveudtagning af bosoner i lineær optik og dets beregningsmæssige konsekvenser" i National Science Review ( NSR ), tilbyder en komplet løsning på det åbne problem, Aaronson stiller.

Specifikt, Yungs team afdækkede en grundlæggende grænse for overgangssandsynlighederne for lineære optiske systemer, begrænser muligheden for at overføre bosoner ved hjælp af lineære optiske enheder. Sammen med værktøjerne til kvanteoptik, de udviklede en klassisk algoritme, der effektivt kan estimere overgangsamplituden med en afgrænset fejl. Følgelig, disse resultater fører til et negativt svar på Aaronsons åbne problem. Med andre ord, til kodning af hårde beslutningsproblemer, det er nødvendigt at gøre brug af mere komplicerede kvanteoptiske systemer i stedet for bare lineær optik.

Som et tværfagligt domæne mellem kvantefysik og datalogi, kvanteinformationsvidenskab er fortsat et meget aktivt forskningsområde. På den ene side, resultaterne af Yungs team bidrager til det teoretiske grundlag for kvanteoptik; på den anden side, ud over bosonprøvetagning, disse resultater peger på et nyt perspektiv på beregningskompleksitetsproblemer med hensyn til kvanteoptik. Utvivlsomt, i fremtiden, vi skulle forvente at se mange flere spændende resultater som disse på dette område.