[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种线性资源测量网络，通过少量局域测量确定多体量子系统中演化速度。借助这一可扩展方法，作者在实验中检测到关键量子特性——如计量上有用的相干性和纠缠，显著降低了大规模系统中的资源标度。

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.

研究动机与目标

• 解决测量量子系统演化速度时面临的指数级资源标度挑战。
• 开发一种资源标度与系统组分数呈线性关系而非指数关系的测量方案。
• 在资源有限的条件下，实现实验检测大规模系统中基本量子特性（如相干性和纠缠）的能力。
• 在全光学实验中验证该方法的可行性。

提出的方法

• 设计一种仅需对每个子系统进行局域测量的测量网络，以估计量子演化的速度。
• 利用测量资源与系统组分数呈线性增长的策略，避免完整层析所需指数级开销。
• 应用该网络基于局域可观测量计算Bures速度（一种量子演化速率的度量）。
• 在全光学平台上实现该方案，以实验验证其性能。
• 利用测得的速度推断系统中是否存在计量上有用的相干性和纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以与子系统数量呈线性关系的资源标度，估算多体量子系统中演化速度？
• RQ2 仅依靠局域测量在多大程度上可检测到非经典量子特性（如纠缠和相干性）？
• RQ3 所提出的方案是否可在光子平台上实验实现，以验证其可扩展性和准确性？
• RQ4 测得的演化速度与计量上有用的量子资源存在与否之间有何关联？

主要发现

• 所提方法使量子速度估计的资源标度与子系统数量呈线性关系，显著降低了实验和计算需求。
• 该方案成功仅通过局域测量检测到多体系统中计量上有用的相干性和纠缠。
• 全光学实验验证了该方法的可行性和准确性，证实了其可扩展性。
• 测得的演化速度可作为复杂系统中非经典量子特性存在的可靠指标。