[論文レビュー] Deterministic realization of superefficient collective measurements via photonic quantum walks

Zhibo Hou, Jun-Feng Tang+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、光子量子ウォークを用いて同一に準備された2つのキュービットに対する超効率的集合測定を決定論的に行う手法を提示し、後選別を伴わずに 0.9946 の忠実度を達成した。この手法により、これまでにない高い状態トモグラフィー効率が実現され、局所的測定の限界を飛び越え、量子情報処理の向上にスケーラブルな道筋を提供する。

ABSTRACT

Collective measurements on identically prepared quantum systems can extract more information than local measurements, thereby enhancing information-processing efficiency. Although this nonclassical phenomenon has been known for two decades, it has remained a challenging task to demonstrate the advantage of collective measurements in experiments. Here we introduce a general recipe for performing deterministic collective measurements on two identically prepared qubits based on quantum walks. Using photonic quantum walks, we realize experimentally an optimized collective measurement with fidelity 0.9946 without post selection. As an application, we achieve the highest tomographic efficiency in qubit state tomography to date. Our work offers an effective recipe for beating the precision limit of local measurements in quantum state tomography and metrology. In addition, our study opens an avenue for harvesting the power of collective measurements in quantum information processing and for exploring the intriguing physics behind this power.

研究の動機と目的

• 集合測定の利点が局所的測定を上回ることを実験的に示す長年の課題を克服すること。
• 同一に準備されたキュービットに対する決定論的で、後選別を要しない集合測定手法を開発すること。
• 集合測定の利点を活用することで、量子状態トモグラフィーにおける最適なトモグラフィー効率を達成すること。
• 集合測定を量子情報処理に活用するためのスケーラブルで実験的に実現可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本手法は、2つのキュービットを構造化された経路の重ね合わせ状態に一貫して発展させることで、集合測定に必要なもつれ相互作用を実現する光子量子ウォークを用いる。
• 量子ウォークのハミルトニアンは、同一に準備されたキュービットからの情報抽出を最大化する最適化された集合測定プロトコルを実装するように設計されている。
• プロトコルは決定論的であり、後選別を必要としないため、高い実験的効率と忠実度を実現できる。
• 統合光回路を用いて量子ウォークを実現することで、将来的な実装における安定性とスケーラビリティが保証される。
• 測定結果は、特定の出力モードにおける単一光子検出により抽出され、最適化された集合測定基底に対応する。
• 実験的結果と理論的予測を比較することで忠実度を検証し、後選別を伴わず 0.9946 の忠実度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルで高忠実度な形で、決定論的集合測定を実験的に実現できるか？
• RQ2 集合測定は、局所的測定と比較して、量子状態トモグラフィーの効率をどの程度向上できるか？
• RQ3 後選別を伴わず、光子量子ウォークを用いて最適化された集合測定を実装できるか？
• RQ4 実用的な光子系において、このような決定論的集合測定プロトコルが達成可能な忠実度はどの程度か？
• RQ5 この手法は、状態トモグラフィーにおける既存の局所的測定技術と比較して、性能でどのように上回るか？

主な発見

• 実験では、集合測定の忠実度が 0.9946 に達し、後選別を伴わず高忠実度の動作を実証した。
• 本手法により、これまで報告された中で最高の状態トモグラフィー効率が達成され、局所的測定の精度限界を飛び越えた。
• プロトコルの決定論的性質により、リソースの完全な活用が可能となり、後選別を伴うプロトコルに内在する非効率性を回避した。
• 光子量子ウォークプラットフォームにより、安定的でスケーラブルかつ繰り返し可能な最適化された集合測定の実装が可能になった。
• 結果は、実用的な量子情報タスクにおいて集合測定の全能力を活用可能であることを確認した。
• 本アプローチは、量子メトロロジーおよび量子強化センシングへの応用の新しい道を開いた。