[論文レビュー] Quantum estimation of parameter in circuit QED by continuous quantum measurement

Cheng Zhang, Kai Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、連続的量子測定とベイズ推定を用いて、超伝導回路QEDにおけるラビ周波数の高精度推定スキームを提案する。測定出力における時間的量子相関を活用し、測定強度を最適化することで、追加の量子資源を必要とせずに標準量子限界を超える精度を達成するが、測定効率に敏感である。

ABSTRACT

Designing high-precision and efficient schemes is of crucial importance for quantum parameter estimation in practice. The estimation scheme based on continuous quantum measurement is one possible type of this, which looks also the most natural choice in case such as continuous dynamical process. In this work we specify the study to the stat-of-the-art superconducting circuit quantum-electrodynamics (QED) system, where the high-quality continuous measurement has been extensively exploited in the past decade. Within the framework of Bayesian estimation and particularly using the quantum Bayesian rule in circuit QED, we numerically simulate the likelihood function as estimator for the Rabi frequency of qubit oscillation. We find that, by proper design of the interaction strength of measurement, the estimate precision can scale with the measurement time beyond the standard quantum limit, which is usually assumed for this type of continuous measurement since no more special quantum resource is involved. We understand this remarkable result by quantum correlation in time between the output signals, and simulate the effect of quantum efficiency of the measurement on the precision scaling behavior.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービットにおける高精度で効率的なパrameter推定スキームの開発を目的とする。
• 連続的量子測定が、追加の量子資源を用いずにラビ周波数の推定精度を標準量子限界を超えることができるかを検証することを目的とする。
• 測定強度と量子効率が推定精度に与える影響を分析することを目的とする。
• 測定信号における時間的量子相関が、精度向上の背後に果たす役割を理解することを目的とする。

提案手法

• 本研究では、連続的量子測定の枠組みにおいて、量子ベイズ則を用いて、ラビ周波数に関する信念状態をリアルタイムで更新する。
• 数値シミュレーションを用いて、測定出力信号に基づきラビ周波数の推定器としての尤度関数を計算する。
• 測定相互作用強度を体系的に変化させ、推定精度の最適化と測定時間とのスケーリング挙動の調査を行う。
• 連続する測定出力間の時間的量子相関を分析し、観察された精度向上の理由を説明する。
• 測定効率が精度スケーリングに与える影響をシミュレーションし、実用的制限を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路QEDにおける連続的量子測定は、追加の量子資源を要せず、標準量子限界を超える推定精度を達成できるか？
• RQ2 測定相互作用強度は、測定時間との推定精度のスケーリングにどのように影響するか？
• RQ3 測定出力における時間的量子相関は、推定精度の向上にどのような役割を果たすか？
• RQ4 有限の測定効率は、提案されたスキームにおける精度スケーリング行動にどのように影響するか？

主な発見

• 追加の量子資源を必要とせず、測定時間とともに標準量子限界を超える推定精度が達成される。
• 最適な測定強度が、標準量子限界を超える精度を実現する鍵要因であることが同定された。
• 測定出力信号における時間的量子相関が、精度向上の物理的起源であると特定された。
• 測定効率は精度スケーリングに顕著な影響を及ぼし、低効率では性能が劣化することが分かった。