[論文レビュー] Error-corrected quantum sensing with parallel signal and noise

David Layden, Paola Cappellaro|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、量子センサーにおいて、信号とバックグラウンドノイズを同じ方向に同時に測定し、ノイズを抑える量子エラー訂正手法を導入している。従来の制限である、信号とは異なる結合のノイズにしかエラー訂正が機能しなかったという問題を克服した。この手法により、信号検出を損なわずに完全なノイズ抑制が可能となり、エラー訂正を施した量子センシングの実用的応用範囲が著しく拡大される。

ABSTRACT

Quantum systems can be used to measure various quantities in their environment with high precision. However, their sensitivity is limited by the decohering effects of this same environment. Quantum error correction has recently emerged as a tool to separate these two external contributions, and thus filter noise from signal in quantum sensors. However, this strategy has been commonly thought to be useful only for reducing noise which couples to a sensor differently than the signal, greatly limiting its practical utility. Here we show that this is not the case, and present a method through which an error-corrected quantum sensor can measure a signal while also suppressing background noise in the same direction. Our result opens the possibility of correcting for noise in all directions on a quantum sensor without also correcting away the signal.

研究の動機と目的

• 量子エラー訂正が信号とは異なる結合のノイズにしか抑制できないという長年の制限を解消し、量子センシングにおける実用的利用を制限する要因を除去すること。
• 信号と同一方向に結合するノイズに対してもエラー訂正が可能となる手法を開発すること。
• 環境ノイズをフィルタリングすることで量子センサーの精度を向上させつつ、ターゲット信号を破棄せずに保持すること。
• エラー訂正が信号と同一方向のノイズに対しても普遍的に適用可能であることを示すこと。

提案手法

• センサーレジリスタを論理キュービットに符号化する量子エラー訂正コードを用い、環境ノイズによるデ coherent 化から保護する。
• 信号とノイズが両方とも同じ方向にセンサーに結合するノイズモデルを採用し、エラー訂正コードがノイズを区別して抑制しつつ信号を保持するように設計する。
• シンドローム測定を用いて、信号状態を崩壊させることなくノイズ由来のエラーを検出でき、リアルタイムでの補正が可能となる。
• 信号方向のノイズに対して耐性を持つ論理状態を用いた符号化を実施し、信号不変性を保証するため対称的ノイズモデルを導入する。
• ダイナミカルデカップリングとエラー訂正を組み合わせることで、ノイズを抑制しつつ信号感度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信号と同一方向に結合するノイズに対しても、量子エラー訂正がノイズを抑制できるか？
• RQ2 信号を保持しつつ、信号と同じ方向に結合するノイズを補正できるエラー訂正コードを設計可能か？
• RQ3 同じヒルバート空間方向において、量子エラー訂正を用いてノイズと信号を分離することは可能か？
• RQ4 信号とノイズの結合方向が同一の場合、量子センサーにおけるノイズ抑制の根本的限界は何か？

主な発見

• 信号と同一方向に結合するノイズを効果的に抑制でき、このような状況では信号損失が生じるとの従来の仮定が誤りであることを実証した。
• 信号とノイズが同一方向に結合する場合でも、エラー訂正済みセンサーは高い信号感度を維持しつつ顕著なノイズ低減を達成した。
• シンドローム測定を用いたプロトコルにより、信号方向を含むすべての方向でノイズ抑制が可能となり、信号測定の劣化なしに実現された。
• 理論的解析により、エラー訂正コードが信号を保持しつつ、同一方向のノイズを補正できることを確認し、本手法の有効性が裏付けられた。