[论文解读] Quantum measurements with a quantum computer

C. D’Helon, G. J. Milburn|ArXiv.org|May 8, 1997

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于离子阱量子计算机的量子算法，用于对集体振动运动中的正交相位变量进行高精度测量。通过将离子的电子态视为量子寄存器，并应用傅里叶变换算法，该方法实现了测量分辨率随离子数量呈指数级提升，从而突破经典极限。

ABSTRACT

We present a scheme in which an ion trap quantum computer can be used to make arbitrarily accurate measurements of the quadrature phase variables for the collective vibrational motion of the ion. The electronic states of the ion become the `apparatus', and the method is based on regarding the `apparatus' as a quantum computer register which can be prepared in appropriate states by running a Fourier transform algorithm on the data stored within it. The resolution of the measurement rises exponentially with the number of ions used.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的高精度量子测量方法，用于捕获离子中集体振动模式的测量。
• 克服经典测量装置在分辨微小正交相位偏移方面的局限性。
• 利用量子计算机的寄存器作为测量装置，以提升灵敏度。
• 通过量子纠缠与量子算法控制，实现测量分辨率的指数级提升。
• 仅利用量子计算机原生操作，实现任意高精度的测量。

提出的方法

• 利用离子的电子态作为量子寄存器，用于存储和处理测量数据。
• 在寄存器上实现量子傅里叶变换算法，以准备适合测量的叠加态。
• 通过受控相互作用，将离子的集体振动运动耦合到电子量子比特态上。
• 通过测量所准备的叠加态中的布居数来提取测量结果。
• 测量分辨率随用于寄存器的离子数量呈指数级增长。
• 该方案将量子计算机本身作为测量装置，避免了经典方法的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用量子计算机实现对连续变量的测量，其精度高于经典系统？
• RQ2 如何将量子计算机的寄存器重新用作振动正交相位的测量装置？
• RQ3 测量分辨率随离子数量增加的标度行为如何？
• RQ4 像傅里叶变换这样的量子算法能否用于准备高精度传感的最优测量基？
• RQ5 使用该量子测量协议可实现的测量精度的根本极限是什么？

主要发现

• 测量分辨率随离子数量呈指数增长，标度为 2^N（N 个离子）。
• 该方法可实现对集体振动模式中正交相位变量的任意高精度测量。
• 该方案仅使用标准量子操作——具体而言是离子电子量子比特上的量子傅里叶变换。
• 离子的电子态充当量子存储与处理单元，有效替代了经典测量装置。
• 该协议在无需额外辅助系统（除离子阱量子比特外）的情况下实现高保真度测量。
• 理论框架表明，量子计算机不仅可用于计算，还可用于增强灵敏度的量子计量学。