[論文レビュー] Determining the speed of multipartite quantum systems by few local measurements

Chao Zhang, Benjamin Yadin+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、局所的測定を少数用いることで、多粒子量子系における進化速度を測定する線形リソース測定ネットワークを提案する。このスケーラブルな手法を活用することで、研究者はメトロロジカルに有用な量子もつれや量子重ね合わせ状態といった重要な量子特性を実験的に検出でき、大規模系におけるリソーススケーリングを顕著に削減することを示した。

ABSTRACT

Measuring the speed of evolution of a quantum system can reveal its key properties and structure. Yet, it usually requires experimental and computational resources which increase exponentially with the system size. Here we show how to evaluate the speed of a multipartite quantum system by measurement networks scaling linearly with the system parts. We employ the scheme to detect fundamental quantum properties including metrologically useful coherence and entanglement in an all-optical experiment. The result paves the way for the investigation of quantum phenomena in large complex systems with limited resources.

研究の動機と目的

• 量子系の進化速度を測定する際の指数的リソーススケーリングの課題に対処すること。
• 全トモグラフィーに伴う指数的オーバーヘッドを回避するため、システム部品数に対して線形にスケーリングする測定スキームの開発。
• リソース制限下でも大規模系における重ね合わせ状態やもつれといった基本的量子特性の実験的検出を可能にすること。
• 本手法の実現可能性を光子系プラットフォームで実証すること。

提案手法

• 各量子部分系における局所的測定のみを用いて、量子進化速度を推定する測定ネットワークの設計。
• 全トモグラフィーの指数的オーバーヘッドを回避するため、測定リソースをシステム部品数に対して線形にスケーリング。
• 局所的観測量に基づいて、量子進化速度の指標であるBures速度を計算するためのネットワークの適用。
• 実験的性能の妥当性を検証するため、本手法を全光子プラットフォームに実装。
• 測定された速度を用いて、系内にメトロロジカルに有用な重ね合わせ状態やもつれが存在するかを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多粒子量子系の進化速度は、部品数に対して線形にスケーリングするリソースで推定可能か？
• RQ2 局所的測定のみで、もつれや重ね合わせ状態といった非古典的量子特徴をどの程度検出可能か？
• RQ3 提案手法は光子プラットフォームで実験的に実現可能であり、スケーラビリティと正確性を検証可能か？
• RQ4 測定された進化速度は、メトロロジカルに有用な量子資源の存在とどのように関連しているか？

主な発見

• 提案手法により、部品数に対して線形にスケーリングするリソースで量子速度を推定可能となり、実験的・計算的負荷が顕著に削減された。
• 本スキームは、局所的測定のみを用いても、多粒子系におけるメトロロジカルに有用な重ね合わせ状態ともつれを成功裏に検出できた。
• 全光子実験により、本手法の実現可能性と正確性が確認され、スケーラビリティが裏付けられた。
• 測定された進化速度は、複雑系における非古典的量子特徴の信頼できる指標として機能することが示された。