[论文解读] Direct measurements of quantum states by exploiting diffused photon state

KyeoReh Lee, YongKeun Park|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 2

一句话总结

本文提出了一种直接、单次测量的方法，通过光学散射器生成随机、散射的光子态，以重建光子量子态的密度矩阵。利用散射光的统计特性，该技术无需弱测量或干涉仪设置，即可在位置-偏振基下直接重构纯态与混合态，为量子层析提供了一种鲁棒且通用的替代方案。

ABSTRACT

Measuring the state of a physical system provides a complete understanding of the past, present, and future behavior of the system. Accordingly, techniques for measuring intact physical states are required in all subfields of physics. In quantum systems, however, measuring the exact state of a system is a challenging task due to the complex and uncertain nature of quantum systems. The conventional way of measuring a quantum state is the quantum tomographic approach. However, this is a challenging task because of the extreme vulnerability of the interferometric setup. Recently, direct measurement of a quantum state was realized utilizing the weak measurement. Though this alleviates the difficulty of measuring quantum states, the introduction of a pointer state still limits the generality of the technique. Here, we propose a general but straightforward measurement technique for the quantum state of a photon. At the heart of our idea is an optical diffuser. Based on the random feature of the diffused state, we theoretically show that the density matrix of a photon can be directly reconstructed from a single intensity image after the diffuser. In experimental demonstrations, we successfully measured the density matrices in the position-polarization basis for both pure and mixed states of photons.

研究动机与目标

• 开发一种通用且直接的光子系统量子态测量技术。
• 克服量子层析与弱测量技术的局限性，特别是其实验复杂性与敏感性。
• 仅通过光子通过光学散射器后的单张强度图像，实现密度矩阵的直接重构。
• 展示该方法在位置-偏振基下对纯态与混合态的适用性。

提出的方法

• 该方法利用光学散射器将输入光子态转换为随机、空间非相干态。
• 散射光子态由一个统计系综表征，其强度分布编码了原始密度矩阵的信息。
• 通过统计反演技术分析散射后记录的强度图案，实现密度矩阵的重构。
• 该方法依赖于散射态的统计特性与原始量子态矩之间的直接关联。
• 重构过程无需弱测量或干涉仪稳定，从而简化了实验实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过散射器后的单次强度测量，实现光子态完整密度矩阵的重构？
• RQ2 散射器如何在无需弱测量或干涉测量的情况下实现直接态重构？
• RQ3 该方法对纯态与混合态的重构密度矩阵在保真度与准确性方面表现如何？
• RQ4 该方法能否推广至光子以外的其他量子系统？

主要发现

• 该方法仅通过散射器后的单张强度图像，成功重构了光子在纯态与混合态下的密度矩阵。
• 重构精度较高，保真度值与预期的量子态特征一致。
• 该技术通过消除对干涉仪稳定或弱测量协议的需求，展现出强鲁棒性。
• 该方法在位置-偏振基下经实验验证，证实其在真实量子态测量中的可行性。