[論文レビュー] Direct Measurement of Quantum State Rotations

Mehul Malik, Mohammad Mirhosseini+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2013

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、軌道角運動量（OAM）基底における逐次的弱測定と強測定を用いて、高次元量子状態ベクトルを直接測定する手法を提示する。弱OAM測定と強角度位置測定を組み合わせることで、次元d=27の純粋状態ベクトルを直接再構成し、状態ベクトルの回転に伴う位相の変化を実験的に示した。これにより、高次元量子系の高精度な特徴付けが可能となった。

ABSTRACT

The of a quantum state poses a unique challenge for experimentalists. Recently, the technique of measurement was proposed for characterizing a quantum state in-situ through sequential weak and strong measurements. While this method has been used for measuring polarization states, its real potential lies in the of states with a large dimensionality. Here we show the practical direct of a high-dimensional state vector in the discrete basis of orbital-angular momentum. Through weak measurements of orbital-angular momentum and strong measurements of angular position, we measure the complex probability amplitudes of a pure state with a dimensionality, d=27. Further, we use our method to directly observe the relationship between rotations of a state vector and the relative phase between its orbital-angular-momentum components. Our technique has important applications in high-dimensional classical and quantum information systems, and can be extended to characterize other types of large quantum states.

研究の動機と目的

• 低次元系を超える高次元量子状態ベクトルを直接測定する実用的手法の開発を目的とする。
• 従来の量子状態トモグラフィーの限界を克服し、複素振幅のイン・スイート・逐次的測定を可能とする。
• 離散的OAM基底においてd=27の純粋量子状態を実験的に直接測定することを目的とする。
• 量子状態ベクトルの回転とOAM成分間の相対的位相変化との関係を特定することを目的とする。
• 高次元古典的および量子情報システムに適用可能なスケーラブルな技術を確立することを目的とする。

提案手法

• 本手法は、状態を完全に崩壊させることなく測定するため、軌道角運動量（OAM）の逐次的弱測定を採用する。
• 強測定による角度位置の測定を用いて、系を射影し、複素振幅に関する情報を抽出する。
• 弱測定と強測定の組み合わせにより、複素確率振幅ベクトルの直接再構成が可能となる。
• 離散的OAM基底で動作するため、高次元状態の特徴付けが可能である。
• 測定プロトコルは、成分間の位相コherーの維持を損なわないように設計されている。
• 多数の弱測定結果を平均化し、強測定結果と相関させることで、状態ベクトルを再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、完全な状態トモグラフィーなしに高次元量子状態ベクトルを直接測定できるか？
• RQ2 量子状態ベクトルの回転と、そのOAM成分間の相対的位相変化との関係は何か？
• RQ3 弱測定と強測定を効果的に組み合わせることで、OAM基底においてd=27の純粋状態を再構成できるか？
• RQ4 測定プロトコルは、状態再構成中に位相情報をどのように保持するか？
• RQ5 この手法の実用的限界および高次元量子系へのスケーラビリティは何か？

主な発見

• 本手法は、離散的軌道角運動量基底において次元d=27の純粋量子状態ベクトルを成功裏に再構成した。
• 逐次的弱測定と強測定を用いることで、高い忠実度で状態の複素確率振幅を直接測定した。
• 本手法により、OAM成分間の状態ベクトルの回転に伴う位相変化を直接観測できた。
• 実験結果は、回転がOAM成分間の相対的位相変化に対応するという理論的予測を確認した。
• 本アプローチは、連続変数に類似した基底における高次元量子状態の特徴付けに実用的な道筋を示した。
• 本手法は、高次元量子情報処理および古典的光システムへの応用に有望であることが示された。