[论文解读] Optimal entanglement-assisted discrimination of quantum measurements

Martina Miková, Michal Sedlák+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出了一种最优的纠缠辅助策略，用于以可调的非结论性结果率区分两个投影单量子比特测量。通过使用最大纠缠的贝尔态和实时电光前馈，该方法在成功概率上优于非纠缠探测器，在单光子实验中清晰展示了量子测量区分中的量子优势。

ABSTRACT

We investigate optimal discrimination between two projective single-qubit measurements in a scenario where the measurement can be performed only once. We consider general setting involving a tunable fraction of inconclusive outcomes and we prove that the optimal discrimination strategy requires an entangled probe state for any nonzero rate of inconclusive outcomes. We experimentally implement this optimal discrimination strategy for projective measurements on polarization states of single photons. Our setup involves a real-time electrooptical feed-forward loop which allows us to fully harness the benefits of entanglement in discrimination of quantum measurements. The experimental data clearly demonstrate the advantage of entanglement-based discrimination strategy as compared to unentangled single-qubit probes.

研究动机与目标

• 确定在每次测量仅能执行一次的条件下，区分两个投影单量子比特测量的最优策略。
• 研究在允许有限非结论性结果率的情况下，纠缠是否在概率性区分量子测量中提供根本优势。
• 在实验中实现并验证最优纠缠辅助区分协议，使用偏振编码的单光子。
• 在真实的光学设置中，将纠缠探测器的性能与非纠缠单量子比特探测器进行基准比较。

提出的方法

• 该协议使用最大纠缠的单重态贝尔态 |Ψ⁻⟩ = (|01⟩ − |10⟩)/√2 作为探测态。
• 采用两量子比特测量方案：未知测量在其中一个量子比特（A）上执行，其结果触发对另一个量子比特（B）的相应测量。
• 通过在量子比特 B 上施加酉操作（σY）将测量区分转换为非正交态区分，当在量子比特 A 上观测到结果 0 时执行此操作。
• 通过无歧义区分方法实现对结果非正交态 |ϕ⟩ 和 |ψ⟩ 的最优区分，非结论性结果的概率为 PI = cos(2θ)。
• 实验实现采用线性光学、光纤干涉仪、单光子探测器以及实时电光前馈回路，根据先前结果动态调整测量设置。
• 测量成功概率 PS、非结论性概率 PI 和错误概率 PE 作为干涉仪中可变分束器比（VRC）的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 当允许有限的非结论性结果率时，纠缠是否在最优区分两个投影单量子比特测量中提供根本优势？
• RQ2 实现此区分任务最大成功概率的最优探测态和测量策略是什么？
• RQ3 理论上纠缠的优势是否可在具有实时前馈的光子系统中实验实现？
• RQ4 在不同非结论性结果率下，纠缠辅助区分的性能与单量子比特探测器策略相比如何定量比较？

主要发现

• 对于任何非零的非结论性结果率（PI > 0），最优区分策略均需要纠缠探测态，证明纠缠对最优性能至关重要。
• 在所有测试的 VRC 分束比 T 值下，实验成功概率 PS 均超过单量子比特探测器，且错误率 PE 不超过 3.2%。
• PS、PI 和 PE 的理论预测与实验数据高度吻合，证实了纠缠辅助协议的有效性。
• 发现 PS 对 PI 的二阶导数在纠缠策略下非负，表明其具有凸性；而单量子比特探测器策略在非结论性结果率超过某一阈值后表现出凹性。
• 实时电光前馈回路对于充分发挥纠缠优势至关重要，实现了测量基的动态自适应。
• 结果表明，量子光学技术已足够成熟，可在实际约束条件下实现并受益于纠缠在量子器件区分中的应用。