玻色采样是一个将n个不可区分的玻色子（例如光子）在m个模式构成的幺正矩阵中演化并求解玻色子概率分布的计算任务，对于经典计算机，求解玻色采样问题涉及计算复杂度很高的积和式求解，而另一方面仅需要量子光源，线性干涉网络和单光子探测器就可以实验实现玻色采样。由于玻色采样以及相关变体在理论和实验上定义明确，一直被视为实现量子计算优越性的代表性问题，例如「九章」高斯玻色采样实验，已经在实验上展示了对于经典计算能力的超越。但是对于大多数多光子实验而言，其实验规模依然受到实验计数率的影响，被限制在较小的水平。为此研究团队以玻色采样实验作为平台，构建了时间飞行存储模块，首次提出并实现了时间戳玻色采样实验。时间戳方案通过采集事件发生时间的方式来重构原始的概率分布，研究团队证明了该方案对于任何实验规模都可以有效的减少实验执行时间。

图1 ｜ 时间戳方案概念图

研究团队利用飞秒激光直写技术，在光子芯片上实现了线性干涉网络，并进一步展示了3光子30个模式以及6光子30个模式的标准玻色采样实验。对于3光子实验，研究团队采样到了大多数可能的出射组合并利用平均到达时间重构了概率分布。对于6光子实验，受限于实验低计数率，计数重构无法给出合理的实验结果，在这种情况下，研究团队证明仅采集有限组合发生一次的到达时间，实验结果依然可以通过行-范数估计检验(row-norm estimator test)和似然比检验(likelihood ratio test)，从而展示了时间戳方案的优越性。

图2 ｜ 时间戳方案重构结果

三维光子芯片为多光子实验提供了集成并且可扩展的实验平台。时间戳方案则通过提取事件发生的时间信息，从非常有限的采样事件中得到概率分布。这种探测方法可以被推广到广泛的量子光学领域，例如多光子量子行走，多光子纠缠，乃至含噪声的中型量子技术（NISQ）中。由于理想情况下时间戳协议仅需要不同事件发生一次的时间信息，因此可以有效的减少实验执行时间，从而为所有受限于实验计数率的多光子实验提供了全新的实现途径。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的大力支持，感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0066103

--上海交通大学