[论文解读] CQED quantum tomography of a microwave range

G. P. Miroshnichenko|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 42被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在电路量子电动力学（cQED）中对微波场进行量子层析成像的协议，通过测量原子探测概率来重建正交分量的概率分布。利用原子-腔相互作用与数值优化，该方法仅需一个可调参数即可实现高精度态重建，经科莫戈罗夫检验和仪器函数建模验证，对相干态表现出高保真度。

ABSTRACT

The protocol of measurement the probability density of a rotated quadrature of microwave mode in an arbitrary quantum state is presented and numerically investigated. The protocol is adapted to the measuring procedure used in the CQED experiments. The method is based on measurement of integrated probability of detection of atoms - probes in the top working state from atoms flying via the cavity. Connection of random variables and is found, when is a qudrature phase. Connection of the tomogram and the tomogram is found. The protocol prescribes the rule of choice of problem parameters, such as interaction time, and the number of atoms in series . The method contains a single fitting parameter that is selected in the process of numerical simulation of the quadrature distribution in a coherent state. Quality selection is determined by the Kolmogorov test. The result of the calculation protocol is a convolution with the instrumental function of the method. The parameters of the instrumental function are shown. Numerical simulations performed for typical numerical values of parameters of the experimental setup, shows the effectiveness of the proposed method.

研究动机与目标

• 开发适用于cQED系统中微波场的实用量子层析成像协议。
• 实现对任意量子态中旋转正交分量的概率密度的测量。
• 优化实验参数（如相互作用时间与原子数序列），以实现可靠的态重建。
• 在保持高重建精度的同时，最小化拟合参数的数量。

提出的方法

• 该协议使用飞行原子作为探测器，使其与腔内微波场发生相互作用，以测量处于激发态的探测概率。
• 通过涉及正交分量相位的变换，将测得的原子探测概率映射到正交分量分布。
• 通过数值模拟相干态确定单个拟合参数，并利用科莫戈罗夫检验优化拟合优度。
• 通过将重建分布与基于模拟获得的仪器函数进行卷积，考虑实验中的非理想因素。
• 明确计算并验证了仪器函数的参数，采用典型实验参数值。
• 该方法在典型cQED参数下通过数值测试，表现出态重建的鲁棒性与高精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用cQED中的原子探测器，重建任意量子态下微波场的正交分量概率分布？
• RQ2 如何最优选择相互作用时间与原子数序列，以最大化重建保真度？
• RQ3 如何在保持精度的同时，使方法对拟合参数数量最少，且具有鲁棒性？
• RQ4 实验非理想因素对重建质量有何影响，如何对其进行建模？
• RQ5 该方法在已知参考态（如相干态）下的表现如何？

主要发现

• 该方法仅通过一个拟合参数即可实现高保真度的正交分量分布重建，该参数通过相干态的数值模拟选定。
• 科莫戈罗夫检验验证了重建质量，证实了拟合参数的准确性。
• 该方法的仪器函数被明确确定，其参数由数值模拟推导得出。
• 使用典型cQED参数的数值模拟表明，重建性能有效且稳定。
• 该协议在真实实验条件下表现出鲁棒性与适应性，如在相干态上的表现所示。
• 通过将理想分布与仪器函数进行卷积，该方法成功重建了正交分量分布，同时保留了关键的量子特性。