[论文解读] Quantum estimation of parameter in circuit QED by continuous quantum measurement

Cheng Zhang, Kai Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于连续量子测量和贝叶斯估计的高精度量子估计算法，用于超导电路量子电动力学中的拉比频率测量。通过利用测量输出中的时间量子关联并优化测量强度，该方法在不增加额外量子资源的情况下实现了超越标准量子极限的精度，且其性能对测量效率敏感。

ABSTRACT

Designing high-precision and efficient schemes is of crucial importance for quantum parameter estimation in practice. The estimation scheme based on continuous quantum measurement is one possible type of this, which looks also the most natural choice in case such as continuous dynamical process. In this work we specify the study to the stat-of-the-art superconducting circuit quantum-electrodynamics (QED) system, where the high-quality continuous measurement has been extensively exploited in the past decade. Within the framework of Bayesian estimation and particularly using the quantum Bayesian rule in circuit QED, we numerically simulate the likelihood function as estimator for the Rabi frequency of qubit oscillation. We find that, by proper design of the interaction strength of measurement, the estimate precision can scale with the measurement time beyond the standard quantum limit, which is usually assumed for this type of continuous measurement since no more special quantum resource is involved. We understand this remarkable result by quantum correlation in time between the output signals, and simulate the effect of quantum efficiency of the measurement on the precision scaling behavior.

研究动机与目标

• 开发一种针对电路量子电动力学中超导量子比特的高精度、高效参数估计算法。
• 研究连续量子测量是否能在不使用额外量子资源的情况下，超越标准量子极限来估计拉比频率。
• 分析测量强度和量子效率在决定估计精度中的作用。
• 理解通过测量信号中的时间量子关联实现精度提升的物理根源。

提出的方法

• 在连续量子测量的框架下，采用量子贝叶斯规则实时更新对拉比频率的信念状态。
• 通过数值模拟计算似然函数，作为基于测量输出信号的拉比频率估计器。
• 系统性地改变测量相互作用强度，以优化估计精度并探索与测量时间的标度行为。
• 分析连续测量输出之间的时间量子关联，以解释观测到的精度提升现象。
• 模拟测量效率对精度标度的影响，以评估实际限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电路量子电动力学中，连续量子测量是否能在不使用额外量子资源的情况下，实现超越标准量子极限的估计精度？
• RQ2 测量相互作用强度如何影响估计精度与测量时间的标度关系？
• RQ3 测量输出中的时间量子关联在提升估计精度方面起到什么作用？
• RQ4 有限的测量效率如何影响所提方案中的精度标度行为？

主要发现

• 即使不使用额外量子资源，估计精度仍能随测量时间超越标准量子极限。
• 最优测量强度是实现精度超越标准量子极限的关键因素。
• 测量输出信号中的时间量子关联被确定为精度提升的物理根源。
• 测量效率显著影响精度标度，较低的效率会降低性能。