(Phys.org)—Onderzoekers hebben een nieuw computerprobleem geïntroduceerd en aangetoond dat het buitengewoon moeilijk zou zijn, zo niet onmogelijk, voor een klassieke computer om op te lossen, maar in theorie zou het efficiënt kunnen worden opgelost met behulp van kwantumtechnieken. Het probleem, wat Gauss-boson-sampling wordt genoemd, is een nieuwe versie van boson-bemonstering, dat is een soortgelijk computerprobleem dat een paar jaar geleden werd geïntroduceerd met als doel de potentiële voordelen van kwantumcomputers ten opzichte van klassieke te demonstreren.

De onderzoekers van de nieuwe studie, Craig S. Hamilton et al., van de Tsjechische Technische Universiteit in Praag en de Universiteit van Paderborn in Duitsland, hebben een artikel gepubliceerd over Gaussische boson-bemonstering in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Algemeen, het Gaussiaanse boson-bemonsteringsprobleem lijkt erg op het oorspronkelijke boson-bemonsteringsprobleem, die in 2011 werd voorgesteld door Scott Aaronson en Alex Arkhipov. Bij beide problemen de taak is om de waarschijnlijkheid te vinden van het meten van bepaalde patronen van fotonen die uit een optisch systeem komen, gegeven een bepaalde invoerconfiguratie van fotonen. In de complexiteitstheorie boson sampling wordt verondersteld een #P-hard probleem te zijn, wat het uiterst onwaarschijnlijk maakt dat het door een klassieke computer kan worden opgelost.

Hoewel er momenteel geen kwantumcomputer bestaat die in staat is het boson-bemonsteringsprobleem op te lossen, verschillende onderzoeksgroepen hebben geprobeerd het probleem te implementeren en op te lossen met behulp van kwantumoptische experimenten. Een van de grootste uitdagingen voor deze experimenten is het genereren van een groot aantal afzonderlijke fotonen. Aangezien perfect deterministische bronnen van enkele fotonen momenteel niet beschikbaar zijn, alle experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, hebben fotonbronnen gebruikt die eerder probabilistisch dan deterministisch zijn.

Het nadeel van het gebruik van probabilistische fotonenbronnen is dat de kosten voor het genereren van de fotonen exponentieel toenemen naarmate het aantal fotonen toeneemt. Tot dusver, het grootste aantal gebruikte fotonen is vijf, wat niet voldoende is om het voordeel van het gebruik van kwantumcomputers onomstotelijk aan te tonen. (Verder benadrukkend hoe moeilijk het is om een ​​kwantumvoordeel op dit gebied aan te tonen, een recente studie heeft aangetoond dat klassieke computers het boson-bemonsteringsprobleem kunnen simuleren met 30 fotonen, wat suggereert dat de kwantummethoden meer te bewijzen hebben dan eerder werd gedacht.)

In een poging om het gemakkelijker te maken om grotere aantallen fotonen te bereiken in experimenten met bosonbemonstering, de onderzoekers in de nieuwe studie keken specifiek naar boson-bemonstering met behulp van Gauss-staten. Hoewel Gauss-staten al in experimenten zijn gebruikt, hun Gauss-aard werd nooit specifiek onderzocht. Deze staten hebben het voordeel dat ze minder duur zijn om in experimenten te produceren.

"Het grootste voordeel van ons protocol is de mogelijkheid om meer van de gegenereerde fotonen uit onze invoerstaten te gebruiken, Hamilton vertelde Phys.org. "Dit betekent, als het aantal fotonen het belangrijkste obstakel is voor experimentatoren, het zou gemakkelijker moeten zijn om een ​​kwantumvoordeel aan te tonen met behulp van Gauss-toestanden."

Een van de belangrijkste resultaten van de nieuwe studie is dat, ondanks dat het gemakkelijker experimenteel te implementeren is, Gaussiaanse boson-bemonstering is nog steeds een #P-hard probleem en dus, zoals bosonbemonstering, heeft ook het potentieel om te dienen als een platform dat de voordelen van kwantumcomputing illustreert. specifiek, de onderzoekers laten zien dat Gaussiaanse boson-bemonstering gerelateerd is aan een matrixfunctie die het Hafnian wordt genoemd, een probleem dat zo moeilijk is dat momenteel geen enkele klassieke computer een oplossing efficiënt kan benaderen.

Algemeen, de resultaten suggereren dat Gaussiaanse bosonbemonstering verschillende experimentele en theoretische voordelen kan hebben ten opzichte van algemene bosonbemonstering, en zal onderzoekers waarschijnlijk een ander hulpmiddel bieden om te onderzoeken waar de grens tussen kwantum en klassiek computergebruik kan worden getrokken.

© 2017 Fys.org