বোসন স্যাম্পলিং ব্যবহার করে স্থায়ীত্বের পরম মানের "গণনা" করা কি সম্ভব?


16

ইন বোসন স্যাম্পলিং , তাই আমরা প্রথমেই প্রতিটি 1 ফোটন দিয়ে শুরু করে M একটি ইন্টারফেরোমিটার মোড, প্রতিটি আউটপুট মোডে 1 ফোটন সনাক্ত করতে সম্ভাব্যতা হল: |Perm(A)|2 , যেখানে A এর কলাম এবং সারিগুলি ইন্টারফেরোমিটারের একক ম্যাট্রিক্স ইউ এর প্রথম M কলাম এবং এর সমস্ত সারি রয়েছে।U

এটা তৈরি করে এটি কোনো ঐকিক জন্য মত চেহারা U , আমরা উপযুক্ত ইন্টারফেরোমিটার গঠন করা ম্যাট্রিক্স গঠন করা যেতে পারে A , এবং স্থায়ী পরম মান নিরূপণ A (প্রতিটি মোডে এক ফোটন সনাক্ত করতে সম্ভাবনা বর্গমূল গ্রহণ করে যা আমরা বোসন স্যাম্পলিং পরীক্ষা থেকে পান)। এটি সত্য, না কিছু ধরা আছে? লোকেরা আমাকে বলেছে যে আপনি বাস্তবে বোসন নমুনা থেকে স্থায়ী সম্পর্কে তথ্য পেতে পারবেন না।

এছাড়াও, এর অন্যান্য কলামগুলিতে কী ঘটেছিল U: এটি ঠিক কীভাবে হয় যে পরীক্ষামূলক ফলাফলটি কেবলমাত্র ইউ এর প্রথম M কলাম এবং এর সমস্ত সারিগুলির উপর নির্ভর করে , তবে ইউ এর অন্যান্য কলামগুলিতে নয় ? ইউ এর সেই কলামগুলি কি প্রথম এম মোডে পরীক্ষার ফলাফলকে প্রভাবিত করে না ?UUUM


যেহেতু আপনি ফোটোনিক তৈরি করেছেন , দয়া করে এটির জন্য ট্যাগ-উদ্ধৃতি লেখার বিষয়টি বিবেচনা করুন। এখানে যান । ধন্যবাদ.
সঁচায়ন দত্ত

উত্তর:


7

এটি এক মুহূর্ত পর্যন্ত সত্য বলে মনে হচ্ছে। আমি স্কট অ্যারনসনের কাগজটি পড়ার সাথে সাথে এটি বলছে যে আপনি যদি ইন্টারফেরোমিটারের প্রতিটি প্রথম মোডে 1 টি ফোটন দিয়ে শুরু করেন , এবং পি এস এর সম্ভাব্যতাটি খুঁজে পান যে একটি সেট এস আই ফোটন প্রতিটি মোডে আউটপুট হয় আমি { 1 , , N } যেখানে i s i = এম , এটি পি এস = | পার (ক) | 2MPSsii{1,,N}isi=M সুতরাং, প্রকৃতপক্ষে, যদি আপনি একটি নির্দিষ্ট উদাহরণস্বরূপ যেখানে নিতেগুলিআমি=0বা 1 প্রতি সম্ভব আউটপুট, তারপর, হ্যাঁ সম্ভাব্যতা স্থায়ী সমানএকটি, যেখানেএকজনপ্রথমএমএর কলামইউএকটি নির্দিষ্ট উপসেট এবংএমঅবস্থানগুলি দ্বারা নির্দিষ্ট সারিগুলিআমি=1। সুতরাং, প্রশ্নটিতে এটি নির্দিষ্টভাবে উল্লেখ করা হয়নি: এটি সমস্ত সারি নয়, তবে কেবল কয়েকটি উপসেট, যাতেএ A

Ps=|Per(A)|2s1!s2!sM!.
si=0AAMUMsi=1Aএকটি স্কোয়ার ম্যাট্রিক্স, পরীক্ষায় বিটগুলির সাথে সম্পর্কিত যা "দেখায়", অর্থাৎ ইনপুট সারি এবং আউটপুট সারি। ফোটনগুলি কখনই অন্য কোনও কিছু তৈরি করে না এবং তাই ইউনিটরি ম্যাট্রিক্স অন্যান্য উপাদানগুলির কাছে অন্ধ ।U

এটি মোটামুটি সুস্পষ্ট হওয়া উচিত। ধরা যাক আমার কাছে কিছু ম্যাট্রিক্স ভি আছে । আমি যদি কিছু ভিত্তিতে রাজ্য শুরু করি | 0 এবং এটি তার পণ্য, ভী | 0 , তাহলে সেই আমাকে আউটপুট সম্পর্কে খুব সামান্য বলে বুদ্ধিমান ভী | 1 এবং ভী | 2 , সরাইয়া কি জ্ঞান থেকে বলা যেতে পারে যে থেকে ভী ঐকিক, এবং অত: পর কলাম এবং সারি orthonormal হয়।3×3V|0V|0V|1V|2V

সমস্যাটি হল এই যে এক সতর্ক হতে হবে সঠিকতা হল: আপনি একবার এই চালানো এবং সমস্ত আপনি পেতে সম্ভাব্যতা বিতরণের অনুযায়ী একটি একক নমুনা । আপনি এটি কয়েকবার চালান এবং আপনি বিভিন্ন সম্ভাব্যতা সম্পর্কে তথ্য তৈরি করতে শুরু করেন। আপনি এটি যথেষ্ট বার চালান, এবং আপনি একটি ইচ্ছামত সঠিক উত্তর পেতে পারেন, কিন্তু কত যথেষ্ট? দুটি পৃথক উপায়ে আপনি কোনও মান পি এর প্রাক্কলনটিতে ত্রুটিটি পরিমাপ করতে পারেন । হয় আপনি একটি যুত ত্রুটি দাবি করতে পি ± ε বা গুণনশীল ত্রুটি, পি ( 1 ± ε ) । যেহেতু আমরা প্রত্যাশা করি যে একটি সাধারণ সম্ভাবনা n + m তে তাত্পর্যপূর্ণভাবে ছোট হবেPspp±ϵp(1±ϵ)n+m, গুণক ত্রুটিটি আরও বৃহত্তর নির্ভুলতার দাবি করে, যা স্যাম্পলিংয়ের মাধ্যমে দক্ষতার সাথে অর্জন করা যায় না। অন্যদিকে, অ্যাডিটিভ ত্রুটি আনুমানিকতা অর্জন করা যেতে পারে।

যখন একটি গুণগত ত্রুটি লোকেরা সাধারণত গণনা করতে চায়, তবে সংযোজনীয় ত্রুটি একটি আকর্ষণীয় সত্তাও হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, জোন্স বহুপদী মূল্যায়নের ক্ষেত্রে ।

অ্যারনসন আমাদের সময় মতো আরও পিছনে নির্দেশ করেছেন যেখানে বোসন নমুনা এবং স্থায়ী মধ্যে এই সংযোগটি প্রথম তৈরি হয়েছিল:

1953 সালে Caianiello দ্বারা কাজ করার পরে এটি জানা যায় (আগে না হলে) যে বোসন প্রক্রিয়াগুলির প্রশস্ততা n × n ম্যাট্রিকের স্থায়ী হিসাবে লেখা যেতে পারে ।nn×n

পরিবর্তে, তাদের প্রধান অবদান

আনুমানিক বোসনস্যাম্পলিং সমস্যা সমাধানের জন্য ধ্রুপদী কম্পিউটারগুলির ক্ষমতা এবং স্থায়ীভাবে আনুমানিক করার ক্ষমতা তাদের মধ্যে একটি সংযোগ প্রমাণ করা হয়

অর্থাত্ সীমাবদ্ধতা সম্পর্কিত সমস্যাটি বোঝার জন্য, যেমন সীমাবদ্ধ নমুনা, এবং এর সাথে জড়িত গণনার জটিলতার পরিণতিগুলি বর্ণনা করা: আমরা বিশ্বাস করি যে এই জাতীয় জিনিসটি শাস্ত্রীয়ভাবে মূল্যায়ন করা শক্ত।


আপনি যা বলছেন তা এটি কিনা তা আমি নিশ্চিত নই, তবে এটি সত্য নয় যে বসনস্যাম্পলিংয়ের দক্ষতার সাথে সমাধান করা স্থায়ীদের দক্ষতার সাথে অনুমান করতে দেয় যা কোয়ান্টাম কম্পিউটারগুলি # পি-হার্ড সমস্যাগুলি সমাধান করতে সক্ষম হবে তা বোঝায়। অন্য কথায়, কোয়ান্টাম কম্পিউটারগুলি দক্ষতার সাথে বোসন স্যাম্পলারের আউটপুট অনুকরণ করতে পারে , তবে দক্ষতার সাথে তার আউটপুট সম্ভাব্যতা বন্টন গণনা করতে পারে না
GMS

@ জিএলএস না, এটাই আমি বলছি। অ্যারনসন কাগজটি এই বিষয়টিকে আলাদা করতে খুব সতর্কতা অবলম্বন করে, তবে এটি গণনা সংক্রান্ত জটিলতার বিবৃতিটিকে অনেক মেসিয়ার করে তোলে, এজন্যই আমি তা প্রকাশ করি নি।
দাফটওয়ালি

@ ডেফ্টওয়ুলি দুঃখিত, আমি এখন বিভ্রান্ত আমরা কি একমত যে বোসন নমুনা দক্ষতার সাথে স্থায়ীদের অনুমান করতে দেয় না ? (উদাহরণস্বরূপ arxiv.org/pdf/1406.6767.pdf এর
প্যাগ

@gls আমি একমত যে আপনি যদি কিছু গুণগত ত্রুটির সাথে আবদ্ধ স্থায়ী সম্পর্কে একটি প্রাক্কলন চান তবে আপনি এটি করতে পারবেন না, যা স্বীকার করে বলা যায় যে জিনিসগুলি সংজ্ঞায়নের মানক উপায় (তবে যেহেতু আমি সাবধানে কোনও সংজ্ঞা সংজ্ঞা এড়াচ্ছি ...)। আপনি যদি কোনও যুক্তিযুক্ত ত্রুটি আবদ্ধ করতে সহ্য করতে রাজি হন তবে আমি বিশ্বাস করি আপনি এটি করতে পারেন।
দফতউলি

"যদি আমি কিছু ভিত্তিতে রাজ্যের শুরু এবং এটি তার পণ্য, ভী | 0 , তাহলে সেই বুদ্ধিমান আমাকে খুব সামান্য আউটপুট সম্পর্কে বলছেন ভী | 1 এবং ভী | 2 ", কিন্তু এর প্রতি একক উপাদান ভী জড়িত আপনাকে দেওয়ার ক্ষেত্রে ভি | 0 । তবে বোসন স্যাম্পলিংয়ের জন্য, কেবলমাত্র প্রথম এম কলামগুলি জড়িত, এটি আশ্চর্যজনক নয়? |0V|0V|1V|2VV|0M
ব্যবহারকারী 1271772

6

আপনি দক্ষতার সাথে প্রশস্ততাগুলির নিরঙ্কুশ মানগুলি পুনরুদ্ধার করতে পারবেন না , তবে আপনি যদি স্বেচ্ছামূলকভাবে অনেকগুলি নমুনার জন্য অনুমতি দেন তবে আপনি যে পরিমাণ ডিগ্রী পছন্দ করতে পারেন সেগুলি নির্ধারণ করতে পারেন।

আরো নির্দিষ্টভাবে, যদি ইনপুট রাষ্ট্র প্রথম প্রত্যেকটি একটি একক ফোটন হল মোড, এবং এক আউটপুট থেকে নমুনা কোনও একটি সংখ্যার আঁকা করতে ইচ্ছুক, তাহলে এটি নীতিগতভাবে সম্ভব স্থায়ী অনুমান করার জন্য একটি যাই হোক না কেন মাত্রায় যথার্থতাটি পছন্দ করে, প্রথম বারের বিভিন্ন এন আউটপুট পোর্টে এন ইনপুট ফোটনগুলি যে সময় বের হয় তার বিভাজন গণনা করে । যদিও এটি লক্ষণীয় যে বোসনস্যাম্পলিংয়ের সাথে এর আসলে তেমন কোনও সম্পর্ক নেই, কারণ দৃ the়তার ফলাফলটি ফোটনের সংখ্যার চেয়ে অনেক বেশি মোডের সংখ্যা নিয়ন্ত্রণ করে এবং এটি স্যাম্পলিংয়ের দক্ষতা সম্পর্কে।nAnn

BosonSampling

আমি বোসনের স্যাম্পলিং কী তা সম্পর্কে একটি সংক্ষিপ্ত ভূমিকা চেষ্টা করব, তবে এটি লক্ষ করা উচিত যে আমি সম্ভবত এ্যারনসনের চেয়ে ভাল কাজটি আর করতে পারি না, সুতরাং তার সম্পর্কিত ব্লগ পোস্টগুলিতে নজর রাখা সম্ভবত একটি ভাল ধারণা (যেমন ব্লগ /? পি = 473 এবং ব্লগ /? পি = 1177 ) এবং এতে লিঙ্ক রয়েছে।

বোসনস্যাম্পলিং একটি স্যাম্পলিং সমস্যা। এটি কিছুটা বিভ্রান্তিকর হতে পারে যে লোকেরা সাধারণত নির্দিষ্ট উত্তরগুলির সাথে সমস্যাগুলি ভাবতে বেশি ব্যবহৃত হয়। একটি নমুনা সমস্যা বিভিন্ন যে সমস্যার সমাধান হ'ল কিছু সম্ভাবনা বন্টন থেকে আঁকা নমুনার একটি সেট

Indeed, the problem a boson sampler solves is that of sampling from a specific probability distribution. More specifically, sampling from the probability distribution of the possible outcome (many-boson) states.

Consider as a simple example a case with 2 photons in 4 modes, and let's say we fix the input state to be (1,1,0,0)|1,1,0,0 (that is, a single photon in each of the two first two input modes). Ignoring the output states with more than one photon in each mode, there are (42)=6 possible output two-photon states: (1,1,0,0),(1,0,1,0),(1,0,0,1),(0,1,1,0),(0,1,0,1) and (0,0,1,1). Let us denote for convenience with oi,i=1,.,6 the i-th one (so, for example, o2=(1,0,1,0)). Then, a possible solution to BosonSampling could be the series of outcomes:

o1,o4,o2,o2,o5.

To make an analogy to a maybe more familiar case, it's like saying that we want to sample from a Gaussian probability distribution. This means that we want to find a sequence of numbers which, if we draw enough of them and put them into a histogram, will produce something close to a Gaussian.

Computing permanents

It turns out that the probability amplitude of a given input state |r to a given output state |s is (proportional to) the permanent of a suitable matrix built out of the unitary matrix characterizing the (single-boson) evolution.

More specifically, if R denotes the mode assignment list(1) associated to |r, S that of |s, and U is the unitary matrix describing the evolution, then the probability amplitude A(rs) of going from |r to |s is given by

A(rs)=1r!s!permU[R|S],
with U[R|S] denoting the matrix built by taking from U the rows specified by R and the columns specified by S.

Thus, considering the fixed input state |r0, the probability distribution of the possible outcomes is given by the probabilities

ps=1r0!s!|permU[R|S]|2.

BosonSampling is the problem of drawing "points" according to this distribution.

This is not the same as computing the probabilities ps, or even computing the permanents themselves. Indeed, computing the permanents of complex matrices is hard, and it is not expected even for quantum computers to be able to do it efficiently.

The gist of the matter is that sampling from a probability distribution is in general easier than computing the distribution itself. While a naive way to sample from a distribution is to compute the probabilities (if not already known) and use those to draw the points, there might be smarter ways to do it. A boson sampler is something that is able to draw points according to a specific probability distribution, even though the probabilities making up the distribution itself are not known (or better said, not efficiently computable).

Furthermore, while it may look like the ability to efficiently sample from a distribution should translate into the ability of efficiently estimating the underlying probabilities, this is not the case as soon as there are exponentially many possible outcomes. This is indeed the case of boson sampling with uniformly random unitaries (that is, the original setting of BosonSampling), in which there are (mn) possible n-boson in m-modes output states (again, neglecting states with more than one boson in some mode). For mn, this number increases exponentially with n. This means that, in practice, you would need to draw an exponential number of samples to even have a decent chance of seeing a single outcome more than once, let alone estimate with any decent accuracy the probabilities themselves (it is important to note that this is not the core reason for the hardness though, as the exponential number of possible outcomes could be overcome with smarter methods).

In some particular cases, it is possible to efficiently estimate the permanent of matrices using a boson sampling set-up. This will only be feasible if one of the submatrices has a large (i.e. not exponentially small) permanent associated with it, so that the input-output pair associated with it will happen frequently enough for an estimate to be feasible in polynomial time. This is a very atypical situation, and will not arise if you draw unitaries at random. For a trivial example, consider matrices that are very close to identity - the event in which all photons come out in the same modes they came in will correspond to a permanent which can be estimated experimentally. Besides only being feasible for some particular matrices, a careful analysis of the statistical error incurred in evaluating permanents in this way shows that this is not more efficient than known classical algorithms for approximating permanents (technically, within a small additive error) (2).

Columns involved

Let U be the unitary describing the one-boson evolution. Then, basically by definition, the output amplitudes describing the evolution of a single photon entering in the k-th mode are in the k-th column of U.

The unitary describing the evolution of the many-boson states, however, is not actually U, but a bigger unitary, often denoted by φn(U), whose elements are computed from permanents of matrices built out of U.

Informally speaking though, if the input state has photons in, say, the first n modes, then naturally only the first n columns of U must be necessary (and sufficient) to describe the evolution, as the other columns will describe the evolution of photons entering in modes that we are not actually using.


(1) This is just another way to describe a many-boson state. Instead of characterizing the state as the list of occupation numbers for each mode (that is, number of bosons in first mode, number in second, etc.), we characterize the states by naming the mode occupied by each boson. So, for example, the state (1,0,1,0) can be equivalently written as (1,3), and these are two equivalent ways to say that there is one boson in the first and one boson in the third mode.

(2): S. Aaronson and T. Hance. "Generalizing and Derandomizing Gurvits's Approximation Algorithm for the Permanent". https://eccc.weizmann.ac.il/report/2012/170/


I started with 1 photon in each input mode, and said we're looking at the probability of having 1 photon in each output mode, so that we could avoid all these more complicated general equations involving the permanent, which you provide. In fact if M is the number of columns in U, we get that the probability of having 1 photon in each output mode is |Perm(U)|2 from which we can easily get |Perm(U)|. If we let the experiment go on for long enough and get enough samples, can we not obtain an estimate for |Perm(U)| ?
user1271772

In no part of the question did I mention "efficiency" or "sub-exponentially". I'm just interested to know whether or not it's possible to estimate |Perm(U)| using boson sampling.
user1271772

@user1271772 I see. That's the standard way of talking about these things in this context so I might have automatically assumed you meant to talk about efficiency. If you don't care about the number of samples you have to draw then sure, you can compute the output probability distribution, and therefore the absolute values of the permanents, to whatever accuracy you like
glS

@gIS, Aram Harrow once told me you cannot calculate Permanents using boson sampling, so I thought there was some "catch". The best classical algorithm for simulation of exact boson sampling is: O(m2n+mn2), for n photons in m output modes, what is the cost using the interferometer?
user1271772

@user1271772 I answered more specifically your first point in the edit. I guess I got confused because the setting you are mentioning does not seem to have really much to do with boson sampling, but is more generally about the dynamics of indistinguishable bosons through an interferometer
glS
আমাদের সাইট ব্যবহার করে, আপনি স্বীকার করেছেন যে আপনি আমাদের কুকি নীতি এবং গোপনীয়তা নীতিটি পড়েছেন এবং বুঝতে পেরেছেন ।
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.