[论文解读] Deterministic realization of superefficient collective measurements via photonic quantum walks

Zhibo Hou, Jun-Feng Tang+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于光子量子行走的确定性方法，对两个制备方式相同的量子比特执行超高效集体测量，无需后选择即可实现0.9946的保真度。该方法在量子态层析中实现了迄今为止最高的层析效率，突破了局域测量的极限，并为增强量子信息处理提供了可扩展的路径。

ABSTRACT

Collective measurements on identically prepared quantum systems can extract more information than local measurements, thereby enhancing information-processing efficiency. Although this nonclassical phenomenon has been known for two decades, it has remained a challenging task to demonstrate the advantage of collective measurements in experiments. Here we introduce a general recipe for performing deterministic collective measurements on two identically prepared qubits based on quantum walks. Using photonic quantum walks, we realize experimentally an optimized collective measurement with fidelity 0.9946 without post selection. As an application, we achieve the highest tomographic efficiency in qubit state tomography to date. Our work offers an effective recipe for beating the precision limit of local measurements in quantum state tomography and metrology. In addition, our study opens an avenue for harvesting the power of collective measurements in quantum information processing and for exploring the intriguing physics behind this power.

研究动机与目标

• 为克服长期以来在实验中展示集体测量相对于局域测量优势的挑战。
• 开发一种针对相同制备的量子比特实现的确定性、无需后选择的集体测量方法。
• 通过利用集体测量的优势，实现量子态层析中最佳的层析效率。
• 提供一种可扩展且实验可行的框架，以在量子信息处理中利用集体测量。

提出的方法

• 该方法利用光子量子行走，使两个量子比特通过路径的结构化叠加相干演化，从而实现集体测量所必需的纠缠相互作用。
• 量子行走的哈密顿量被设计为实现优化的集体测量协议，以最大化从相同制备的量子比特中提取的信息量。
• 该协议被设计为确定性的，避免了对后选择的需求，从而实现了高实验效率和高保真度。
• 系统采用集成光子电路实现量子行走，确保了未来实现的稳定性与可扩展性。
• 通过在特定输出模式处进行单光子探测来提取测量结果，对应于优化的集体测量基。
• 通过将实验结果与理论预测进行比较来验证保真度，实现了0.9946的保真度，且无需后选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以可扩展且高保真度的方式在实验中实现确定性集体测量？
• RQ2 与局域测量相比，集体测量在多大程度上能提高量子态层析的效率？
• RQ3 光子量子行走能否在无需后选择的情况下实现优化的集体测量？
• RQ4 在实际光子系统中，此类确定性集体测量协议可实现的保真度是多少？
• RQ5 与现有局域测量技术相比，该方法在态层析中的性能如何？

主要发现

• 实验在集体测量中实现了0.9946的保真度，证明了无需后选择即可实现高保真度操作。
• 该方法实现了迄今为止报道的最高量子比特态层析效率，超越了局域测量的精度极限。
• 该协议的确定性确保了资源的完全利用，避免了后选择协议固有的低效性。
• 光子量子走平台实现了稳定、可扩展且可重复的优化集体测量实现。
• 结果证实了在实际量子信息任务中充分发挥集体测量全部潜力的可行性。
• 该方法为量子计量学和量子增强传感等应用开辟了新途径。