[論文レビュー] Direct measurements of quantum states by exploiting diffused photon state

KyeoReh Lee, YongKeun Park|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、光の散乱器を用いてランダムに散乱された光子状態を生成することで、光子の量子状態の密度行列を直接かつワンショットで再構成する手法を提案する。散乱光の統計的性質を活用することで、弱い測定や干渉計測定装置を必要とせず、純粋状態および混合状態を位置-偏光基底で直接再構成可能であり、量子状態トモグラフィーの代替手段として、堅牢で一般化可能な手法を提供する。

ABSTRACT

Measuring the state of a physical system provides a complete understanding of the past, present, and future behavior of the system. Accordingly, techniques for measuring intact physical states are required in all subfields of physics. In quantum systems, however, measuring the exact state of a system is a challenging task due to the complex and uncertain nature of quantum systems. The conventional way of measuring a quantum state is the quantum tomographic approach. However, this is a challenging task because of the extreme vulnerability of the interferometric setup. Recently, direct measurement of a quantum state was realized utilizing the weak measurement. Though this alleviates the difficulty of measuring quantum states, the introduction of a pointer state still limits the generality of the technique. Here, we propose a general but straightforward measurement technique for the quantum state of a photon. At the heart of our idea is an optical diffuser. Based on the random feature of the diffused state, we theoretically show that the density matrix of a photon can be directly reconstructed from a single intensity image after the diffuser. In experimental demonstrations, we successfully measured the density matrices in the position-polarization basis for both pure and mixed states of photons.

研究の動機と目的

• 光子系における量子状態の直接測定のための一般的で簡単な手法の開発。
• 量子トモグラフィーや弱い測定技術の限界、特に実験的複雑性と感度の問題を克服すること。
• 光学的散乱器を通過した後の1枚の強度画像から密度行列を直接再構成できること。
• 本手法が位置-偏光基底における純粋状態および混合状態の両方に適用可能であることを示すこと。

提案手法

• 本手法は、光学的散乱器を用いて入射光子状態からランダムで空間的に非相関な状態を生成する。
• 散乱光子状態は、強度分布が元の密度行列に関する情報を符号化した統計的アンサンブルとして特徴づけられる。
• 散乱器後の強度パターンを統計的逆問題解法を用いて分析することで、密度行列を再構成する。
• 本手法の根拠は、散乱状態の統計的性質が元の量子状態のモーメントと直接関連していることに基づく。
• 弱い測定や干渉計の安定化を必要とせず、実験的実装を簡素化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散乱器を通過した後の1つの強度測定値から、光子状態の完全な密度行列を再構成できるか？
• RQ2 散乱器の使用が、弱い測定や干渉計測定を回避して直接状態再構成を可能にする仕組みは何か？
• RQ3 純粋状態および混合状態の両方において、再構成された密度行列の忠実度と正確性はどの程度か？
• RQ4 本手法は、光子を越えた異なる量子系へ一般化可能か？

主な発見

• 本手法は、散乱器を通過した後の1枚の強度画像のみを用いて、純粋状態および混合状態の光子の密度行列を成功裏に再構成した。
• 再構成精度は高く、期待される量子状態の特徴と整合する忠実度値を示した。
• 干渉計の安定性や弱い測定プロトコルを不要とすることで、手法の堅牢性を示した。
• 位置-偏光基底における実験的妥当性が確認され、実世界の量子状態測定への適用可能性が裏付けられた。