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量子光学的物理极限解决了计算复杂性的神秘面纱

归档日期:06-26       文本归类:光学干扰装置      文章编辑:爱尚语录

  线性光学器件是展示量子物理学的最佳实例之一。它在室温下工作,可以用相对简单的装置观察。线性光学涉及保存光子总数的物理过程。在理想情况下,如果开始时有100个光子,无论物理过程有多复杂,最后都会留下100个光子。

  光子是玻色子非相互作用的粒子。然而,它们仍然可以相互干扰,表现出非平凡的量子效应。一个典型的例子是Hong-Ou-Mandel实验,其中两个相同的光子被发送到实验装置。在简单的线性变换之后,两个光子看起来好像被粘在一起而不愿分开。除了提供对量子力学的基础理解之外,线性光学的研究也导致了许多科学应用。

  近年来,线性光学系统的独特性质也激发了计算复杂性理论的发展。2012年,麻省理工学院的Scott Aaronson教授(目前在德克萨斯大学奥斯汀分校)提出了一种线性光学方法,用于证明量子(计算)至上,这是基于玻色子采样的概念。更具体地说,Aaronson建议,对于基于线性光学系统的一类采样问题,在实践中不可能应用任何经典计算机来模拟。这个想法立即引发了一场达到“量子至上”地位的竞赛。世界各地的许多量子光学实验室都对开发玻色子采样系统感兴趣,以打破记录光子数。另一方面,计算机科学家正在忙于应用超级计算机来提高实现量子至上的标准。

  然而,就实际问题而言,应用玻色子采样模型并不是一个好方法。因此,Aaronson在2012年提出了一个问题:除了抽样问题之外,研究人员是否可以利用线性光学在决策问题方面实现量子至上,并且是/否答案?最近,SUSTech副教授及其同事的Man-Hong Yung教授在国家科学评论(NSR)上发表了题为“ 线性光学中的采样玻色子及其计算含义的通用约束 ”的论文,为开放性问题提供了一个完整的解决方案。 Aaronson提出的。

  具体来说,Yung的团队揭示了线性光学系统转换概率的基本限制,限制了使用线性光学设备转移玻色子的能力。他们与量子光学工具一起开发了一种经典算法,可以有效地估算出有界误差的过渡振幅。因此,这些结果导致对Aaronson的开放性问题的否定回答。换句话说,为了编码硬判决问题,有必要使用更复杂的量子光学系统而不仅仅是线性光学系统。

  作为量子物理学和计算机科学之间的跨学科领域,量子信息科学仍然是一个非常活跃的研究领域。一方面,Yung团队的成果有助于量子光学的理论基础; 另一方面,除了玻色子采样之外,这些结果还指出了在量子光学方面对计算复杂性问题的新观点。毫无疑问,在未来,我们应该期待在这个领域看到更多令人兴奋的结果。

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