[論文レビュー] Swap-test interferometry with biased ancilla noise

\v{C}ernot\'ik, Ond\v{r}ej, Iivari Pietikäinen+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、制御スワップ（CSWAP）ゲートとバイアス付きアーキテクチャ量子ビットを用いた非線形マハーチェンザー干渉計を提案し、フォック状態やコherent状態といった単純な入力状態を用いてヘイセンベルク限界に達する位相感度を実現する。線形ビームスプリッタをスワップテストに置き換えることで、入力をエンタングルドNOON状態やコherent状態へと射影し、回路QEDにおける現実的なアーキテクチャ量子ビットのノイズに対しても高い精度の位相推定が可能となる。シミュレーションにより、位相反転バイアスノイズに対するロバストネスが確認された。

ABSTRACT

The Mach--Zehnder interferometer is a powerful device for detecting small phase shifts between two light beams. Simple input states -- such as coherent states or single photons -- can reach the standard quantum limit of phase estimation while more complicated states can be used to reach Heisenberg scaling; the latter, however, require complex states at the input of the interferometer which are difficult to prepare. The quest for highly sensitive phase estimation therefore calls for interferometers with nonlinear devices which would make the preparation of these complex states more efficient. Here, we show that the Heisenberg scaling can be recovered with simple input states (including Fock and coherent states) when the linear mirrors in the interferometer are replaced with controlled-swap gates and measurements on ancilla qubits. These swap tests project the input Fock and coherent states onto NOON and entangled coherent states, respectively, leading to improved sensitivity to small phase shifts in one of the interferometer arms. We perform detailed analysis of ancilla errors, showing that biasing the ancilla towards phase flips offers a great advantage, and perform thorough numerical simulations of a possible implementation in circuit quantum electrodynamics. Our results thus present a viable approach to phase estimation approaching Heisenberg-limited sensitivity.

研究の動機と目的

• フォック状態やコherent状態といった単純な入力状態を用いて、標準的量子限界を克服すること。
• 複雑な状態準備を必要としないヘイセンベルクスケーリングを達成する非線形干渉計アーキテクチャの開発。
• 特に位相反転バイアスを示すアーキテクチャ量子ビットノイズが位相推定感度に与える影響の分析。
• ノイズバイアス制御にキアーキテクチャ量子ビットを用いる回路QEDにおける実現可能性の提案。
• スワップテストが単純な入力状態からエンタングルドNOON状態やエンタングルドコherent状態を条件付きで準備できることを示し、高精度なメトロロジーを可能にする。

提案手法

• マハーチェンザー干渉計の線形ビームスプリッタを、アーキテクチャ量子ビットに作用する制御スワップ（CSWAP）ゲートに置き換える。
• 入力状態を対称または反対称部分空間へ射影するため、|+⟩状態に初期化されたアーキテクチャ量子ビットを用いてスワップテストを実行する。
• アーキテクチャ量子ビットをX基底で測定することで位相シフトを推定し、直接的な場の測定を置き換える。
• 特に位相反転バイアスを示すノイズが推定の忠実度と感度に与える影響を分析する。
• キアーキテクチャ量子ビットを介してCSWAP操作を実行し、ノイズバイアスを誘導する回路QEDのシナリオで数値シミュレーションを実施する。
• スワップテストの対称性を活用し、フォック状態からエンタングルドNOON状態、コherent状態からエンタングルドコherent状態への条件付き準備を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォック状態やコherent状態といった単純な入力状態のみを用いてヘイセンベルク限界の位相感度を達成できるか？
• RQ2 特に位相反転バイアスを示すアーキテクチャ量子ビットノイズが、スワップテストベース干渉計の性能に与える影響は何か？
• RQ3 現実的なノイズモデルを想定した回路QEDにおけるこのスキームの実装可能性とロバストネスは何か？
• RQ4 スワップテストは、NOON状態やエンタングルドコherent状態といった高エンタングル状態に単純な入力状態を効果的に射影できるか？
• RQ5 ノイズ下で位相推定感度を最大化するために最適なアーキテクチャおよび制御操作の設定は何か？

主な発見

• スワップテスト干渉計は、フォック状態やコherent状態といった単純な入力状態を用いてもヘイセンベルク限界の位相感度（1/nのスケーリング）を達成する。
• 位相推定感度はバイアス付きアーキテクチャ量子ビットノイズに対してロバストであり、対称的ノイズと比較して位相反転バイアスが顕著な利点を示す。
• 回路QEDにおける数値シミュレーションにより、特にキアーキテクチャ量子ビットを用いたノイズバイアス制御の下で、実際のノイズレベルに対しても本スキームが有効であることが示された。
• スワップテストはフォック状態|n⟩|0⟩をNOON状態へ、コherent状態|α1⟩|α2⟩をエンタングルドコherent状態へと効果的に射影でき、高精度な位相センシングを可能にする。
• 複雑な状態準備や数の分解能を持つ検出器を回避でき、高精度な量子メトロロジーへのスケーラブルな道筋を提供する。
• 本手法は回路QEDにおいて実験的に実現可能であり、キアーキテクチャ量子ビットを制御アーキテクチャ量子ビットとして用いたシミュレーションにより、高忠実度の位相推定が確認された。