(Phys.org) —Forskare har introducerat ett nytt dataproblem och visat att det skulle vara extremt svårt, om inte omöjligt, för att lösa en klassisk dator, men i teorin skulle det kunna lösas effektivt med kvanttekniker. Problemet, som kallas Gaussisk bosonprovtagning, är en ny version av bosonprovtagning, vilket är ett liknande dataproblem som introducerades för några år sedan med målet att demonstrera de potentiella fördelarna med kvantdatorer framför klassiska.

Forskarna i den nya studien, Craig S. Hamilton et al., från Tjeckiska tekniska universitetet i Prag och universitetet i Paderborn i Tyskland, har publicerat ett papper om Gaussisk bosonprovtagning i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

Övergripande, det Gaussiska bosonprovtagningsproblemet är mycket likt det ursprungliga bosonprovtagningsproblemet, som föreslogs 2011 av Scott Aaronson och Alex Arkhipov. I båda problemen uppgiften är att hitta sannolikheten för att mäta vissa fotonmönster som kommer från ett optiskt system, med en viss ingångskonfiguration av fotoner. I komplexitetsteorin, bosonprovtagning antas vara ett #P-svårt problem, vilket gör det extremt osannolikt att det kan lösas med en klassisk dator.

Även om det för närvarande inte finns någon kvantdator som kan lösa bosonprovtagningsproblemet, flera forskargrupper har försökt implementera och lösa problemet med hjälp av kvantoptiska experiment. En av de största utmaningarna för dessa experiment är att generera ett stort antal enstaka fotoner. Eftersom perfekt deterministiska källor till enstaka fotoner för närvarande inte är tillgängliga, alla de experiment som utförts hittills har använt fotonkällor som är sannolikhets snarare än deterministiska.

Nackdelen med att använda probabilistiska fotonkällor är att kostnaden för att generera fotonerna skalas exponentiellt när antalet fotoner ökar. Än så länge, det största antalet fotoner som används är fem, vilket inte är tillräckligt för att bevisa fördelen med att använda kvantdatorer. (Ytterligare betonar svårigheten att visa en kvantfördel på detta område, en ny studie har visat att klassiska datorer kan simulera bosonprovtagningsproblemet med 30 fotoner, tyder på att kvantmetoderna har mer att bevisa än man tidigare trott.)

I ett försök att göra det lättare att uppnå större antal fotoner i bosonprovtagningsexperiment, forskarna i den nya studien tittade specifikt på bosonprovtagning med hjälp av gaussiska stater. Även om Gaussiska stater redan har använts experiment, deras Gaussiska natur undersöktes aldrig specifikt. Dessa stater har fördelen att de är billigare att producera i experiment.

"Den enskilt största fördelen med vårt protokoll är möjligheten att använda fler av de genererade fotonerna från våra inmatningslägen, "Hamilton sa till Phys.org." Det betyder, om fotonnummer är det största hindret för experimenterande, det borde vara lättare att visa en kvantfördel med hjälp av gaussiska stater. "

Ett av huvudresultaten av den nya studien är att, trots att det är enklare att genomföra experimentellt, Gaussisk bosonprovtagning är fortfarande ett #P-hårt problem och så, som bosonprovtagning, har också potential att fungera som en plattform som illustrerar fördelarna med kvantberäkning. Specifikt, forskarna visar att Gaussisk bosonprovtagning är relaterad till en matrisfunktion som kallas Hafnian, ett problem så svårt att för närvarande ingen klassisk dator effektivt kan uppskatta en lösning.

Övergripande, resultaten tyder på att Gaussisk bosonprovtagning kan ha flera experimentella och teoretiska fördelar jämfört med allmän bosonprovtagning, och kommer sannolikt att ge forskare ett annat verktyg för att undersöka var man ska dra gränsen mellan kvant- och klassisk beräkning.

© 2017 Phys.org