[論文レビュー] Quantum measurements with a quantum computer

C. D’Helon, G. J. Milburn|ArXiv.org|May 8, 1997

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、イオントラップ量子コンピュータを用いて集団的振動運動における位 quadrature 位相変数の高精度測定を実現する量子アルゴリズムを提案する。イオンの電子状態を量子レジスタとして扱い、フーリエ変換アルゴリズムを適用することで、イオン数に指数関数的に比例する測定分解能を達成し、古典的手法の限界を超える精度を実現する。

ABSTRACT

We present a scheme in which an ion trap quantum computer can be used to make arbitrarily accurate measurements of the quadrature phase variables for the collective vibrational motion of the ion. The electronic states of the ion become the `apparatus', and the method is based on regarding the `apparatus' as a quantum computer register which can be prepared in appropriate states by running a Fourier transform algorithm on the data stored within it. The resolution of the measurement rises exponentially with the number of ions used.

研究の動機と目的

• トラップイオンの集団的振動モードに対するスケーラブルな高精度量子測定手法の開発。
• 微小な quadrature 位相シフトを解像するのを古典的測定装置の限界を克服すること。
• 量子コンピュータのレジスタを感度向上のための測定装置として活用すること。
• エンタングルメントと量子アルゴリズム制御を用いて測定分解能を指数関数的に向上させること。
• 量子コンピュータのネイティブな操作のみを用いて、任意の高精度測定を可能にすること。

提案手法

• イオンの電子状態を測定データの記憶および処理に用いる量子レジスタとして利用する。
• 測定に適した重ね合わせ状態を準備するために、レジスタに量子フーリエ変換アルゴリズムを実装する。
• 制御された相互作用を介して、イオンの集団的振動運動を電子キュービット状態と結合する。
• 準備された重ね合わせ状態の状態占有率を測定することで、測定結果を抽出する。
• 測定分解能は、レジスタに使用されるイオン数に指数関数的に依存する。
• 本手法は、量子コンピュータ自体を測定装置として扱い、古典的制限を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子コンピュータを用いることで、古典的システムに比べて連続変数の測定をより高精度に行うことができるか？
• RQ2 量子コンピュータのレジスタを、振動 quadrature 位相の測定装置として再利用できるか？
• RQ3 イオン数の増加に伴う測定分解能のスケーリング特性はいかなるものか？
• RQ4 フーリエ変換のような量子アルゴリズムを用いて、高精度センシングに最適な測定基底を準備できるか？
• RQ5 この量子測定プロトコルで達成可能な測定精度の根本的限界は何か？

主な発見

• 測定分解能はイオン数に指数関数的に増加し、N 個のイオンでは 2^N に比例する。
• 本手法により、集団的振動モードにおける quadrature 位相変数の任意の高精度測定が可能である。
• 本スキームでは、イオンの電子キュービットにおける標準的な量子操作、特に量子フーリエ変換のみを用いる。
• イオンの電子状態は、量子メモリおよび処理ユニットとして機能し、古典的測定装置の代替として効果的に機能する。
• 追加のアシスト系を必要とせず、イオントラップキュービットのみで高精度な測定が達成可能である。
• 理論的枠組みは、量子コンピュータが計算以外にも、感度向上を実現する量子メトロロジーの分野でも利用可能であることを示している。