[논문 리뷰] Quantum estimation of parameter in circuit QED by continuous quantum measurement

Cheng Zhang, Kai Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 05.

Quantum Information and Cryptography인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 연속 양자 측정과 베이지안 추정을 이용하여 초전도 회로 양자 전기역학에서 라비 주파수의 고정밀 추정 기법을 제안한다. 측정 출력 내 시간적 양자 상관관계를 활용하고 측정 강도를 최적화함으로써, 추가적인 양자 자원 없이도 표준 양자 한계를 초월하는 정밀도를 달성하며, 성능은 측정 효율성에 민감하게 영향을 받는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 큐비트의 회로 QED에서 고정밀, 고효율의 매개변수 추정 기법을 개발하는 것.
• 연속 양자 측정이 라비 주파수 추정에서 표준 양자 한계를 초월할 수 있는지 조사하는 것.
• 측정 강도와 양자 효율성이 추정 정밀도에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 측정 신호 내 시간적 양자 상관관계가 정밀도 향상의 기원이 되는지 이해하는 것.

제안 방법

• 실시간으로 라비 주파수에 대한 신뢰도 상태를 업데이트하기 위해 연속 양자 측정의 프레임워크 내에서 양자 베이지안 규칙을 적용한다.
• 측정된 출력 신호를 바탕으로 추정기로 사용할 가능성 함수를 수치 시뮬레이션을 통해 계산한다.
• 측정 시간에 따른 정밀도 스케일링을 탐색하고 최적화하기 위해 측정 상호작용 강도를 체계적으로 변화시킨다.
• 관측된 정밀도 향상 현상을 설명하기 위해 연속 측정 출력 간 시간적 양자 상관관계를 분석한다.
• 실제 제약 조건을 평가하기 위해 정밀도 스케일링에 대한 측정 효율성의 영향을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적인 양자 자원 없이도 회로 QED에서의 연속 양자 측정이 표준 양자 한계를 초월하는 추정 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 측정 상호작용 강도는 측정 시간에 따른 정밀도 스케일링에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 측정 출력 내 시간적 양자 상관관계는 정밀도 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 유한한 측정 효율성은 제안된 기법에서 정밀도 스케일링 거동에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 추가적인 양자 자원 없이도 측정 시간에 따라 정밀도가 표준 양자 한계를 초월하여 스케일링됨을 확인하였다.
• 최적의 측정 강도가 표준 양자 한계를 초월하는 정밀도를 가능하게 하는 핵심 요소로 규명되었다.
• 측정 출력 신호 내 시간적 양자 상관관계가 향상된 정밀도의 물리적 기원으로 밝혀졌다.
• 측정 효율성이 정밀도 스케일링에 중대한 영향을 미치며, 낮은 효율성은 성능 저하를 초래한다.