[論文レビュー] Optimal entanglement-assisted discrimination of quantum measurements

Martina Miková, Michal Sedlák+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、不確実な結果の割合を調整可能な状態で、2つの射影的単一キュービット測定を区別する最適なもつれ支援戦略を提案する。最大もつれ状態であるベル状態とリアルタイムの電気光学フィードフォワードを用いることで、もつれのないプローブよりも高い成功確率を達成し、単一光子を用いた量子測定識別の分野で明確な量子優位性を実験的に示した。

ABSTRACT

We investigate optimal discrimination between two projective single-qubit measurements in a scenario where the measurement can be performed only once. We consider general setting involving a tunable fraction of inconclusive outcomes and we prove that the optimal discrimination strategy requires an entangled probe state for any nonzero rate of inconclusive outcomes. We experimentally implement this optimal discrimination strategy for projective measurements on polarization states of single photons. Our setup involves a real-time electrooptical feed-forward loop which allows us to fully harness the benefits of entanglement in discrimination of quantum measurements. The experimental data clearly demonstrate the advantage of entanglement-based discrimination strategy as compared to unentangled single-qubit probes.

研究の動機と目的

• 各測定を一度しか行えない状況で、2つの射影的単一キュービット測定を区別する最適な戦略を特定すること。
• 有限の不確実な結果の割合を許容する場合、もつれが確率的測定識別の根本的優位性を提供するかを調査すること。
• 偏光符号化された単一光子を用いて、最適なもつれ支援識別プロトコルを実験的に実装・検証すること。
• 現実的な光路線構成において、もつれプローブともつれのない単一キュービットプローブの性能をベンチマークすること。

提案手法

• プローブ状態として、最大もつれ状態であるスレーター状態 |Ψ⁻⟩ = (|01⟩ − |10⟩)/√2 を使用する。
• 2キュービット測定方式を採用：未知の測定を1つのキュービット（A）で実行し、その結果に応じて他方のキュービット（B）に対して対応する測定を実行する。
• キュービットAで結果0が得られた場合、キュービットBにユニタリ操作（σY）を適用することで、測定識別を非直交状態識別に変換する。
• 得られた非直交状態 |ϕ⟩ と |ψ⟩ の最適識別は、不確実な結果の確率が PI = cos(2θ) となる不確実な識別により達成される。
• 実験的実装では、線形光学、ファイバー干渉計、単一光子検出器、およびリアルタイムの電気光学フィードフォワードループを用い、過去の測定結果に基づいて測定設定を動的に調整する。
• 可変分波器比（VRC）を変化させた干渉計構成において、成功確率 PS、不確実な結果の確率 PI、誤差確率 PE を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限の不確実な結果の割合が許容される状況で、もつれが2つの射影的単一キュービット測定の最適識別に根本的優位性を提供するか？
• RQ2 この識別タスクで最大成功確率を達成するための最適なプローブ状態と測定戦略は何か？
• RQ3 理論的もつれ優位性が、リアルタイムフィードフォワードを伴う光子系の実装で実際に実現可能か？
• RQ4 不確実な結果の割合を変化させた場合、もつれ支援識別と単一キュービットプローブ戦略の性能を定量的に比較するとどうなるか？

主な発見

• 任意の非ゼロの不確実な結果の割合（PI > 0）に対して、最適な識別戦略はもつれプローブ状態を必要とすることを示し、もつれが最適性能を達成するために不可欠であることを証明した。
• VRC分割比の全テスト値において、実験的成功確率 PS が単一キュービットプローブを上回り、誤差確率 PE は3.2％以下に抑えられた。
• PS、PI、PE についての理論的予測が実験データとよく一致しており、もつれ支援プロトコルの妥当性が確認された。
• PS と PI の2階微分がもつれ戦略では非負であったことから、凸性が示されたのに対し、単一キュービットプローブ戦略は閾値を超えると凹型の挙動を示した。
• リアルタイムの電気光学フィードフォワードループは、もつれの利点を最大限に活用するために不可欠であり、測定基準の動的適応を可能にした。
• 結果として、量子光学技術は、実用的制約のもとでも、量子デバイス識別の分野でもつれを実装・活用できるほど成熟していることが示された。