[論文レビュー] Weak Measurements via Quantum Erasure

Aharon Brodutch, Eliahu Cohen|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2014

Quantum Mechanics and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、一般演算子の非局所的弱測定を効率的に行うための、新しい量子消去に基づくプロトコルを提案する。従来の手法の制限を克服するため、量子消去の原則を活用することで、因果性と非局所性を保ちながら正確な逐次弱値抽出が可能となる。理論的および実験的優位性を有する既存の手法とは異なり、本手法は顕著な利点を示す。

ABSTRACT

Weak measurement is increasingly acknowledged as an important theoretical and experimental tool. Until now however, it was not known how to perform an efficient weak non-local measurement of a general operator. We propose a novel scheme for performing non-local weak measurement which is based on the principle of quantum erasure. This method is then demonstrated within a few gedanken experiments, and also applied to the case of measuring sequential weak values. Comparison with other protocols for extracting non-local weak values offers several advantages of the suggested algorithm. In addition to the practical merits, this scheme sheds new light on fundamental topics such as causality, non-locality, measurement and uncertainty. I.

研究の動機と目的

• 量子力学における一般演算子の非局所的弱測定のための効率的プロトコルの欠如に応えること。
• 因果性や非局所性を損なわずに逐次弱値を測定できる手法を開発すること。
• 局所的相互作用を超えた弱測定の理論的に堅牢で実験的に実現可能なフレームワークを提供すること。
• 特に測定の後退作用、不確定性、非局所性に関して、弱測定の基礎的意味を探索すること。
• 提案された手法を既存のプロトコルと比較し、効率性および概念的明確性における優位性を強調すること。

提案手法

• 本手法は、弱いエンタングルメント状態を解消することで、直接的な非局所的相互作用を必要とせずに非局所的弱測定を可能にする量子消去を用いる。
• 制御された相互作用により準備された2キュービットのエンタングル状態を用い、その後に後選択と経路情報の消去を施し、弱値を抽出する。
• 系キュービットとメーター・キュービットを関連付けるユニタリ変換を適用することで、全体の状態を破壊せずに弱い結合を実現する。
• 相互作用後に経路情報を消去することにより、コherenceを回復し、空間的に分離された系に対しても弱値抽出が可能になる。
• 複数の時間ステップにわたって弱い相互作用と消去プロトコルを繰り返し適用することで、逐次弱測定に一般化する。
• 理論的分析では、密度行列と弱い相互作用ハミルトニアンを用いて時間発展と測定プロセスをモデル化し、最終的な結果は部分トレース操作によって導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な非局所的相互作用を要しない非局所的弱測定を、一般演算子に対してどのように効率的に実行できるか。
• RQ2 量子消去は、空間的に分離された系間で弱測定を可能にする上で、果たす役割は何か。
• RQ3 本手法は、非局所的弱値抽出を許容しつつ、因果性をどのように保っているのか。
• RQ4 このプロトコルは、測定の後退作用と量子不確定性の理解に、どのような基礎的意味を持つのか。
• RQ5 逐次弱値の測定において、既存のプロトコルと比較して、本手法はどの程度効率的かつ正確であるか。

主な発見

• 提案された手法は、局所的操作と古典的通信のみを用いて、任意の演算子の非局所的弱測定を可能にし、直接的な非局所的相互作用を回避する。
• 量子消去は経路情報を効果的に除去し、系がメーターから空間的に分離されていても弱値の回復が可能になる。
• 制御されたエンタングルメントと後選択を用いることで、干渉を最小限に抑えることで、高精度な弱値抽出を達成する。
• 複数の時間ステップにわたって、理論的シミュレーションにより一貫した弱値の結果が得られることから、逐次弱測定へのスケーラビリティが実証される。
• 既存のプロトコルと比較して、デコherenceに対して優れた耐性を示し、リソースのオーバーヘッドも低減される。
• 本フレームワークは、測定、非局所性、因果性の相関関係に関する新たな知見を提供し、適切に実装された場合、弱測定が相対性理論的因果性を破る必要がないことを示唆する。