[論文レビュー] Quantum state reconstruction made easy: a direct method for tomography

R. P. Rundle, Todd Tilma+2 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、任意の量子系に適用可能な量子スピン状態のワイナー関数の実験的測定と再構成を可能にする、量子状態トモグラフィーの直接的手法を提示する。この手法は、IBMのQuantum Experience上で2つのBell状態および5キュービットのGHZ状態の直接的検出と区別に成功し、量子情報システムへの実用可能性を裏付けた。

ABSTRACT

In quantum mechanics, the state of the system, or set of systems, is encoded as a vector in a state space. While this sounds simple, it has several implications that are not limited to the more well known and spooky consequences of quantum physics, such as entanglement. One of these is that we can never directly observe the state of the system itself; we are only able to measure its observable properties, such as position and momentum, that are affected by the system's state. By making many measurements of this set of observables of the state, we can generate marginal distributions of each. From these distributions, we can reconstruct the original state vector from its associated phase-space Wigner function. It has been shown that such a measurement of the Wigner function is possible for light. Here we give a procedure for the direct measurement and reconstruction of the Wigner function for a series of quantum spin states that should be applicable to any quantum system. We have applied our procedure to IBM's Quantum Experience five qubit quantum processor to demonstrate that we can directly measure and distinguish two different Bell states - states central to understanding entanglement - via this method. We have also performed direct measurements of the five qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state Wigner function.

研究の動機と目的

• ワイナー関数を用いた、実験的に実現可能な量子状態再構成の直接的手法の開発。
• 完全な状態トモグラフィーや複雑な逆問題を必要としない、量子スピン状態の測定と再構成の実現。
• 実際の量子プロセッサ上で、Bell状態やGHZ状態のようなもつれ状態への応用可能性の検証。
• 具体的には、IBMの5キュービット量子プロセッサを用いた、実世界の量子コンputングプラットフォームにおける手法の妥当性の検証。

提案手法

• 繰り返し測定から得られる観測量の周辺分布を用いて、量子状態のワイナー関数を直接測定する。
• 測定されたワイナー関数から位相空間再構成技術を用いて、元の量子状態ベクトルを再構成する。
• この手順は、スピン系やキュービットレジスタを含む、任意の量子系に一般化可能である。
• ワイナー関数が位置や運動量などの観測量の周辺分布を通じてアクセス可能であるという事実を活用する。
• この手法はIBMのQuantum Experience上で実装され、5キュービットプロセッサを用いてBell状態およびGHZ状態の準備と測定が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的な量子系において、量子スピン状態のワイナー関数を直接測定し再構成できるか？
• RQ2 提案された手法は、直接的なワイナー関数測定によってもつれ状態の2つのBell状態を区別できるか？
• RQ3 この手法は、5キュービットのGHZ状態のような多キュービットもつれ状態に適用可能か？
• RQ4 直接的測定アプローチは、完全な状態トモグラフィーや複雑な状態逆問題の必要性を回避できるか？

主な発見

• 本手法は、IBMの5キュービット量子プロセッサ上で、2つの異なるBell状態のワイナー関数の直接的測定と再構成に成功した。
• 本手法により、それぞれの状態に固有のワイナー関数の特徴に基づいて、2つのBell状態を明確に区別できた。
• 5キュービットのグリーンバーガー＝ホルン＝ツァイルラー（GHZ）状態が直接測定され、そのワイナー関数が再構成された。これにより、多キュービット系へのスケーラビリティが確認された。
• 結果として、ワイナー関数測定が、完全な状態再構成を要せず、量子状態トモグラフィーの実用的で直接的な道筋を提供することが示された。