Courbes de page et enchevêtrement typique en optique linéaire

Courbes de page et enchevêtrement typique en optique linéaire

Joseph T.Iosue1,2, Adam Ehrenberg1,2, Dominique Hangleiter2,1, Abhinav Deshpande3et une Alexeï V. Gorchkov1,2

1Joint Quantum Institute, NIST/Université du Maryland, College Park, Maryland 20742, États-Unis
2Joint Center for Quantum Information and Computer Science, NIST/Université du Maryland, College Park, Maryland 20742, États-Unis
3Institute for Quantum Information and Matter, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, États-Unis

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Abstract

Les états bosoniques gaussiens sont une classe spéciale d'états quantiques dans un espace de Hilbert de dimension infinie qui sont pertinents pour le calcul quantique universel à variable continue ainsi que pour les tâches d'échantillonnage quantique à court terme telles que l'échantillonnage du boson gaussien. Dans ce travail, nous étudions l'intrication dans un ensemble de modes compressés qui ont été évolués par un unitaire optique linéaire aléatoire. Nous dérivons d'abord des formules qui sont asymptotiquement exactes en nombre de modes pour la courbe de Rényi-2 Page (l'entropie Rényi-2 moyenne d'un sous-système d'un état gaussien bosonique pur) et la correction de Page correspondante (l'information moyenne du sous-système) dans certains régimes de compression. Nous prouvons ensuite divers résultats sur la typicité de l'intrication mesurée par l'entropie de Rényi-2 en étudiant sa variance. En utilisant les résultats susmentionnés pour l'entropie de Rényi-2, nous bornons la courbe Page d'entropie de von Neumann en haut et en bas et prouvons certains régimes de typicité d'intrication tels que mesurés par l'entropie de von Neumann. Nos principales preuves utilisent une propriété de symétrie obéie par la moyenne et la variance de l'entropie qui simplifie considérablement le moyennage sur les unitaires. Dans cette optique, nous proposons de futures directions de recherche où cette symétrie pourrait également être exploitée. Nous concluons en discutant des applications potentielles de nos résultats et de leurs généralisations à l'échantillonnage de boson gaussien et en éclairant la relation entre l'intrication et la complexité de calcul.

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Qu'est-ce qui donne aux ordinateurs quantiques un avantage sur leurs homologues classiques ? On sait que l'intrication est nécessaire pour un avantage quantique, mais il manque un lien quantitatif entre l'intrication et la complexité. La première étape vers la construction d'un tel lien consiste à comprendre l'intrication d'états quantiques difficiles à simuler classiquement. Une telle étude n'a pas été faite même pour le premier schéma d'échantillonnage qui s'est avéré avoir un avantage quantique, à savoir les états de sortie des circuits optiques linéaires. Dans ce travail, nous abordons cela en caractérisant l'intrication typique de tels états.

Plus précisément, nous étudions l'intrication bipartite dans des états quantiques générés par des circuits optiques linéaires aléatoires agissant sur des entrées spécialement préparées. Nous dérivons une formule exacte pour l'intrication moyenne et prouvons que, dans certains régimes, la probabilité que l'intrication d'un état aléatoire s'écarte de la moyenne s'annule asymptotiquement dans la taille du système. Nos résultats sont obtenus grâce à une combinaison de méthodes issues de l'optique quantique et de l'information quantique ainsi qu'à une nouvelle technique que nous développons basée sur une puissante symétrie présente dans la structure d'intrication. Nous proposons en outre comment cette nouvelle technique peut être utile pour étudier l'intrication bipartite dans différents contextes.

Ces résultats fournissent un tremplin vers une meilleure compréhension du comportement typique des circuits optiques linéaires aléatoires et la certification de l'avantage quantique dans une expérience d'échantillonnage d'optique linéaire.

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Cité par

[1] Yu-Hao Deng, Yi-Chao Gu, Hua-Liang Liu, Si-Qiu Gong, Hao Su, Zhi-Jiong Zhang, Hao-Yang Tang, Meng-Hao Jia, Jia-Min Xu, Ming-Cheng Chen , Han-Sen Zhong, Jian Qin, Hui Wang, Li-Chao Peng, Jiarong Yan, Yi Hu, Jia Huang, Hao Li, Yuxuan Li, Yaojian Chen, Xiao Jiang, Lin Gan, Guangwen Yang, Lixing You, Li Li, Nai-Le Liu, Jelmer J. Renema, Chao-Yang Lu et Jian-Wei Pan, "Échantillonnage de boson gaussien avec détecteurs de résolution de nombre de pseudo-photons et avantage de calcul quantique", arXiv: 2304.12240, (2023).

[2] Xie-Hang Yu, Zongping Gong et J. Ignacio Cirac, "Courbe de Page à fermions libres : typicité canonique et émergence dynamique", Recherche sur l'examen physique 5 1, 013044 (2023).

[3] MuSeong Kim, Mi-Ra Hwang, Eylee Jung et DaeKil Park, "Average Rényi Entropy of a Subsystem in Random Pure State", arXiv: 2301.09074, (2023).

[4] Yulong Qiao, Joonsuk Huh et Frank Grossmann, "Entanglement in the full state vector of boson sampling", arXiv: 2210.09915, (2022).

Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2023-05-26 02:35:04). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

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