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# グラフ状態と主未成年者の多様性

Graph States and the Variety of Principal Minors ( http://arxiv.org/abs/2107.02479v2 )

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Vincenzo Galgano, Fr\'ed\'eric Holweck(参考訳) 量子情報理論では、グラフ状態はグラフによって定義される量子状態である。 この研究では、グラフ状態と二項対称主小数点の多様性、特にそれらの対応する軌道は、$sl(2,\mathbb f_2)^{\times n}\rtimes \mathfrak s_n$である。 We start by approaching the topic more widely, that is by studying the orbits of maximal abelian subgroups of the $n$-fold Pauli group under the action of $\mathcal C_n^{\text{loc}}\rtimes \mathfrak S_n$, where $\mathcal C_n^{\text{loc}}$ is the $n$-fold local Clifford group: we show that this action corresponds to the natural action of $SL(2,\mathbb F_2)^{\times n}\rtimes \mathfrak S_n$ on the variety $\mathcal Z_n\subset \mathbb P(\mathbb F_2^{2^n})$ of principal minors of binary symmetric $n\times n$ matrices. この対応における重要なステップは、局所シンプレクティック群 $sp_{2n}^{\text{loc}}(\mathbb f_2)$ のラグランジュグラスマン群 $lg_{\mathbb f_2}(n,2n)$ に対する作用に$sl(2,\mathbb f_2)^{\times n}$ の作用を変換することである。 我々は、前者の作用が安定化群や安定化状態にどのように制限するか、そして最後にグラフ状態の場合どうなるかを研究することで結論付ける。

In Quantum Information theory, graph states are quantum states defined by graphs. In this work we exhibit a correspondence between graph states and the variety of binary symmetric principal minors, in particular their corresponding orbits under the action of $SL(2,\mathbb F_2)^{\times n}\rtimes \mathfrak S_n$. We start by approaching the topic more widely, that is by studying the orbits of maximal abelian subgroups of the $n$-fold Pauli group under the action of $\mathcal C_n^{\text{loc}}\rtimes \mathfrak S_n$, where $\mathcal C_n^{\text{loc}}$ is the $n$-fold local Clifford group: we show that this action corresponds to the natural action of $SL(2,\mathbb F_2)^{\times n}\rtimes \mathfrak S_n$ on the variety $\mathcal Z_n\subset \mathbb P(\mathbb F_2^{2^n})$ of principal minors of binary symmetric $n\times n$ matrices. The crucial step in this correspondence is in translating the action of $SL(2,\mathbb F_2)^{\times n}$ into an action of the local symplectic group $Sp_{2n}^{\text{loc}}(\mathbb F_2)$ on the Lagrangian Grassmannian $LG_{\mathbb F_2}(n,2n)$. We conclude by studying how the former action restricts onto stabilizer groups and stabilizer states, and finally what happens in the case of graph states.
公開日:2022-09-08
翻訳日:2023-03-23 06:57:34
# 対称三井系における3モードNOON状態による2パラメータ推定

Two-parameter estimation with three-mode NOON state in a symmetric three-well system ( http://arxiv.org/abs/2107.02459v2 )

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Fei Yao, Yi-Mu Du, Haijun Xing and Libin Fu(参考訳) 対称三重ウェルポテンシャルに閉じ込められたボース・アインシュタイン凝縮体による2パラメータ推定法を提案する。 三モードNOON状態は、初期状態として断熱的に調製される。 推定される2つのパラメータは、井戸間の位相差である。 この推定手法の感度は、量子および古典的なフィッシャー情報行列を比較して検討する。 その結果,最適粒子数測定法が得られた。 さらに、この推定スキームの精度は、最適な測定の下でハイゼンベルクスケーリングに作用する。

We propose a scheme to realize two-parameter estimation via a Bose-Einstein condensates confined in a symmetric triple-well potential. The three-mode NOON state is prepared adiabatically as the initial state. The two parameters to be estimated are the phase differences between the wells. The sensitivity of this estimation scheme is studied by comparing quantum and classical Fisher information matrices. As a result, we find an optimal particle number measurement method. Moreover, the precision of this estimation scheme behaves the Heisenberg scaling under the optimal measurement.
公開日:2022-03-11
翻訳日:2023-03-23 06:57:06
# 重力による光学格子時計の原子アンサンブルのデコヒーレンス

Decoherence of Atomic Ensembles in Optical Lattice Clocks by Gravity ( http://arxiv.org/abs/2107.02405v2 )

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Akio Kawasaki(参考訳) 光格子時計は、十分な時間をかけて重力赤方偏移によって原子アンサンブル内の高さ1mm以下の差を解消することができる。 安定性のさらなる改善により、時計は単一のラムゼイ系列において単一のコヒーレントスピン状態として伝統的に疑問視される原子アンサンブル内のサブシステムの高さ差を解消し、コヒーレントスピン状態が低下する。 この効果は、3次元光学格子のための単層分解イメージングシステムを導入することで、$\lesssim 10^{-21}$の安定性の時計で観測可能であり、3軸に対して対称に分布する原子アンサンブルに対して、クロックの1s安定性を10^{-19}$で制限する。 原子が絡み合った状態にある場合、これは重力効果による量子状態のデコヒーレンスの最初の観測であり、このデコヒーレンスを観測するための他の体系的シフトの抑制は実現可能と思われる。

Optical lattice clocks can now resolve the height difference below 1 mm within an atomic ensemble by means of gravitational redshift with integration over sufficient amount of time. Further improvement in the stability enables the clocks to resolve the height difference of subsystems within an atomic ensemble that is conventionally interrogated as a single coherent spin state in a single Ramsey sequence, resulting in the dephasing of the coherent spin state. This effect is observable with a clock of a stability of $\lesssim 10^{-21}$ by introducing a single-layer-resolved imaging system for a three-dimensional optical lattice, and limits the 1 s stability of the clock around $10^{-19}$ for an atomic ensemble distributing symmetrically for the three axes, which is also a signal of the decoherence. With atoms in an entangled state, this can be the first observation of the decoherence of a quantum state by a gravitational effect, and the suppression of other systematic shifts to observe this decoherence seems feasible.
公開日:2022-02-03
翻訳日:2023-03-23 06:57:00
# コイン対称性が量子ウォークの無限打撃時間に及ぼす影響

Influence of coin symmetry on infinite hitting times in quantum walks ( http://arxiv.org/abs/2107.02383v1 )

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Prithviraj Prabhu and Todd A. Brun(参考訳) 有限グラフ上の古典的ランダムウォークは下限の性質を持ち、任意の頂点からのウォークは有限時間で他の頂点に到達できる。 離散時間量子ウォークは有限連結グラフ上では無限のヒットタイムを持つ。 この現象は、方向保存グラフ自己同型群がヒルベルト空間に自明に影響を及ぼすようなグラフ対称性と関連している。 グラフが(ある意味で)十分に対称であれば、関連する量子ウォークユニタリは、任意のコインフリップ作用素に対して、対象頂点の集合を重複しない固有ベクトルを含む。 これらの固有ベクトルは無限ヒッティング時間(IHT)部分空間にまたがる。 IHT部分空間の量子状態は決して目標頂点に到達せず、無限に打つ時間に繋がる。 3d立方体のグラフはこの対称性の制約を満たしていないが、一定の対称コインを持つこのグラフ上の量子ウォークは無限のヒットタイムを示すことができる。 コイン-置換対称性(英語版)(CPS)の群を解析し、コイン対称性の効果を研究する: コイン・ヒルベルト空間上で非自明に作用するグラフ自己同型は、コイン作用素は不変である。 置換不変のグローバー硬貨のような大きなCPS基を持つ高対称の硬貨を使用する単位は、より大きなIHT部分空間の結果として、到達しない確率が高い。

Classical random walks on finite graphs have an underrated property: a walk from any vertex can reach every other vertex in finite time, provided they are connected. Discrete-time quantum walks on finite connected graphs however, can have infinite hitting times. This phenomenon is related to graph symmetry, as previously characterized by the group of direction-preserving graph automorphisms that trivially affect the coin Hilbert space. If a graph is symmetric enough (in a particular sense) then the associated quantum walk unitary will contain eigenvectors that do not overlap a set of target vertices, for any coin flip operator. These eigenvectors span the Infinite Hitting Time (IHT) subspace. Quantum states in the IHT subspace never reach the target vertices, leading to infinite hitting times. However, this is not the whole story: the graph of the 3D cube does not satisfy this symmetry constraint, yet quantum walks on this graph with certain symmetric coins can exhibit infinite hitting times. We study the effect of coin symmetry by analyzing the group of coin-permutation symmetries (CPS): graph automorphisms that act nontrivially on the coin Hilbert space but leave the coin operator invariant. Unitaries using highly symmetric coins with large CPS groups, such as the permutation-invariant Grover coin, are associated with higher probabilities of never arriving, as a result of their larger IHT subspaces.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:56:42
# 中性原子のコヒーレント基底状態輸送

Coherent ground-state transport of neutral atoms ( http://arxiv.org/abs/2107.02376v4 )

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X. X. Li, J. B. You, X. Q. Shao, Weibin Li(参考訳) 量子状態輸送はエネルギーや情報の流れを研究する重要な方法である。 非型ライドバーグ励起機構とファンデルワールス相互作用の対角形を組み合わせることにより、二階摂動理論を通した理論モデルを構築し、中性原子系の基底状態多様体内の長距離コヒーレント輸送を実現する。 With the adjustment of the Rabi frequencies and the interatomic distance, this model can be used to simulate various single-body physics phenomena such as Heisenberg $XX$ spin chain restricted in the single-excitation manifold, coherently perfect quantum state transfer, parameter adjustable Su-Schrieffer-Heeger model, and chiral motion of atomic excitation in the triangle by varying the geometrical arrangement of the three atoms, which effectively avoid the influence of atomic spontaneous emission at the same time. さらに, 量子状態伝達の忠実性に対する原子位置ゆらぎの影響を詳細に検討し, 本研究が中性原子を用いた量子状態伝達のための堅牢で容易に実装されたスキームを提供することを示す。

Quantum state transport is an important way to study the energy or information flow. By combining the unconventional Rydberg pumping mechanism and the diagonal form of van der Waals interactions, we construct a theoretical model via second-order perturbation theory to realize a long-range coherent transport inside the ground-state manifold of neutral atoms system. With the adjustment of the Rabi frequencies and the interatomic distance, this model can be used to simulate various single-body physics phenomena such as Heisenberg $XX$ spin chain restricted in the single-excitation manifold, coherently perfect quantum state transfer, parameter adjustable Su-Schrieffer-Heeger model, and chiral motion of atomic excitation in the triangle by varying the geometrical arrangement of the three atoms, which effectively avoid the influence of atomic spontaneous emission at the same time. Moreover, the influence of atomic position fluctuation on the fidelity of quantum state transmission is discussed in detail, and the corresponding numerical results show that our work provides a robust and easy-implemented scheme for quantum state transport with neutral atoms.
公開日:2022-03-09
翻訳日:2023-03-23 06:56:17
# 局所動作による量子ゲートの効率的な実験的検証

Efficient Experimental Verification of Quantum Gates with Local Operations ( http://arxiv.org/abs/2107.02365v1 )

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Rui-Qi Zhang, Zhibo Hou, Jun-Feng Tang, Jiangwei Shang, Huangjun Zhu, Guo-Yong Xiang, Chuan-Feng Li, and Guang-Can Guo(参考訳) 量子ゲートの正しい機能を検証することは、信頼できる量子情報処理への重要なステップであるが、次元の呪いによってシステムのサイズが大きくなると、圧倒的な課題となる。 最近の理論的ブレークスルーは、$O(1/\epsilon)$を局所演算のみを用い、$\epsilon$を推定精度として、最適なサンプルの複雑さで様々な重要な量子ゲートを検証することができることを示している。 本研究では,実用的ゲート不完全化に頑健な量子ゲート検証(qgv)の変種を提案し,局所状態と測定のみを用いて,2量子ビット制御なしゲートと3量子ビットトッフォリゲートの効率的なqgvを実現する。 実験結果から, 平均1600および2600の測定値を用いて, 実装した制御ノットゲートとトフォリゲートがそれぞれ少なくとも99%, 97%の忠実度を有することを95%の信頼度で検証できることがわかった。 qgvのより低いサンプルの複雑さと実験可能性を示し、量子時代の大きな量子デバイスを検証する際の次元の呪いに対する解決策を約束する。

Verifying the correct functioning of quantum gates is a crucial step towards reliable quantum information processing, but it becomes an overwhelming challenge as the system size grows due to the dimensionality curse. Recent theoretical breakthroughs show that it is possible to verify various important quantum gates with the optimal sample complexity of $O(1/\epsilon)$ using local operations only, where $\epsilon$ is the estimation precision. In this work, we propose a variant of quantum gate verification (QGV) which is robust to practical gate imperfections, and experimentally realize efficient QGV on a two-qubit controlled-not gate and a three-qubit Toffoli gate using only local state preparations and measurements. The experimental results show that, by using only 1600 and 2600 measurements on average, we can verify with 95% confidence level that the implemented controlled-not gate and Toffoli gate have fidelities at least 99% and 97%, respectively. Demonstrating the superior low sample complexity and experimental feasibility of QGV, our work promises a solution to the dimensionality curse in verifying large quantum devices in the quantum era.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:56:02
# パラメトリックゲートにおける強駆動効果の高精度解析法

Accurate methods for the analysis of strong-drive effects in parametric gates ( http://arxiv.org/abs/2107.02343v1 )

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Alexandru Petrescu and Camille Le Calonnec and Catherine Leroux and Agustin Di Paolo and Pranav Mundada and Sara Sussman and Andrei Vrajitoarea and Andrew A. Houck and Alexandre Blais(参考訳) 高速で忠実なゲートを囲む能力は、実行可能な量子プロセッサにとって重要な要件である。 実際には、高速ゲートの達成には、回転波近似では捉えられない強い駆動効果のペナルティがしばしば伴う。 これらの効果はゲートプロトコルのシミュレーションで解析できるが、それらは計算コストがかかり、しばしば物理現象を隠蔽する。 本稿では, 正確な数値と摂動解析手法を用いて, フロッケ固有確率を直接解き, ゲートパラメータを効率的に抽出する方法を示す。 このツールキットの例として、パラメトリック駆動カプラで接続された2つの固定周波数トランスモン量子ビット間のパラメトリックゲートの空間について検討する。 時間依存シュリーファー・ウルフ摂動理論に基づく解析的な処理は、ゲート周波数とスプリアス相互作用の閉形式表現を生じさせ、強い駆動に有効である。 これらの計算から,$i$SWAP, Control-Z, CNOT など,異なる種類のゲートに対する最適操作条件を特定する。 これらの解析結果は,ドライブ依存ゲートパラメータを直接抽出する数値フロケ計算によって補完される。 このアプローチは時間発展の完全なシミュレーションよりもかなりの計算上の利点がある。 より一般的に、解析的および数値的戦略を組み合わせることで、パラメトリック駆動型相互作用を含む2ビットゲートを特徴付けることができ、マルチキュービットアーキテクチャにおける不要なZZ相互作用のキャンセルなどのゲート最適化やクロストーク緩和に適用できる。

The ability to perform fast, high-fidelity entangling gates is an important requirement for a viable quantum processor. In practice, achieving fast gates often comes with the penalty of strong-drive effects that are not captured by the rotating-wave approximation. These effects can be analyzed in simulations of the gate protocol, but those are computationally costly and often hide the physics at play. Here, we show how to efficiently extract gate parameters by directly solving a Floquet eigenproblem using exact numerics and a perturbative analytical approach. As an example application of this toolkit, we study the space of parametric gates generated between two fixed-frequency transmon qubits connected by a parametrically driven coupler. Our analytical treatment, based on time-dependent Schrieffer-Wolff perturbation theory, yields closed-form expressions for gate frequencies and spurious interactions, and is valid for strong drives. From these calculations, we identify optimal regimes of operation for different types of gates including $i$SWAP, controlled-Z, and CNOT. These analytical results are supplemented by numerical Floquet computations from which we directly extract drive-dependent gate parameters. This approach has a considerable computational advantage over full simulations of time evolutions. More generally, our combined analytical and numerical strategy allows us to characterize two-qubit gates involving parametrically driven interactions, and can be applied to gate optimization and cross-talk mitigation such as the cancellation of unwanted ZZ interactions in multi-qubit architectures.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:55:39
# 相関光源を用いたラウンドロビン差位相シフト量子鍵分布プロトコルのセキュリティ

Security of round-robin differential-phase-shift quantum key distribution protocol with correlated light sources ( http://arxiv.org/abs/2107.02593v2 )

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Akihiro Mizutani, Go Kato(参考訳) 様々な量子鍵分散(qkd)プロトコルの中で、ラウンドロビン微分位相シフト(rrdps)プロトコルは、統計を監視せずにセキュリティが保証されるユニークな特徴を持っている。 さらに、このプロトコルは、出力パルスが独立であると仮定して、ソースの不完全性に対して堅牢であるという顕著な特性を有する。 残念ながら、いくつかの実験ではパルス相関による独立性違反が確認されており、この効果を考慮せずにセキュリティ証明が欠如していることがセキュリティの障害となっている。 本稿では, RRDPSプロトコルがパルス相関による証明を確立することにより, ソース不完全性に対して安全であることを示す。 我々の証明は、情報源に対して実験的に単純な仮定を3つだけ行うという意味で単純である。 この証明に基づく数値シミュレーションにより、長距離パルス相関が鍵レートに大きな影響を与えないことが示され、RDPSプロトコルのもう一つの顕著な特徴が明らかとなった。 したがって,このセキュリティ証明は幅広い実効的情報源に適用可能であり,高速システムにおいて真に安全なqkdを実現する方法である。

Among various quantum key distribution (QKD) protocols, the round-robin differential-phase-shift (RRDPS) protocol has a unique feature that its security is guaranteed without monitoring any statistics. Moreover, this protocol has a remarkable property of being robust against source imperfections assuming that the emitted pulses are independent. Unfortunately, some experiments confirmed the violation of the independence due to pulse correlations, and therefore the lack of a security proof without taking into account this effect is an obstacle for the security. In this paper, we prove that the RRDPS protocol is secure against any source imperfections by establishing a proof with the pulse correlations. Our proof is simple in the sense that we make only three experimentally simple assumptions for the source. Our numerical simulation based on the proof shows that the long-range pulse correlation does not cause a significant impact on the key rate, which reveals another striking feature of the RRDPS protocol. Our security proof is thus effective and applicable to wide range of practical sources and paves the way to realize truly secure QKD in high-speed systems.
公開日:2023-02-06
翻訳日:2023-03-23 06:51:10
# 協調ネットワークセマンティックスの時間的ニュアンス

Temporal Nuances of Coordination Network Semantics ( http://arxiv.org/abs/2107.02588v2 )

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Derek Weber and Lucia Falzon(参考訳) ソーシャルメディア上での協調的不正行為を検出する現在のネットワークベースの手法は、主に、同じツイートをリツイートしたり、同じURLをポストしたりといった、一般的な"行動トレース" [19] に基づいてアカウント間のリンクを推測することに焦点を当てている。 調整の目標が増幅され、制限された期間内にメッセージを増やすと仮定すると、ほとんどのアプローチは、時間的ウィンドウを使用して、特定の時間枠 [9, 14, 19, 24] 内でコアクティビティが発生することを保証します。 実世界のアプリケーションは、ほぼリアルタイムな処理を考慮し、パフォーマンス要件を作成し、文学におけるコーディネーションのセマンティクスのギャップを強調する必要がある。 これらの手法はすべて、協調した活動の時間的要素を利用することができる。 ネットワークのセマンティクスの調整,ネットワーク構築の調整,3つの政治的Twitterデータセットの関連観測,ソーシャルボットの公開におけるチアリーダーの役割に関する予備研究について述べる。

Current network-based methods for detecting coordinated inauthentic behaviour on social media focus primarily on inferring links between accounts based on common "behavioural traces" [19], such as retweeting the same tweet or posting the same URL. Assuming the goal of coordination is amplification, boosting a message within a constrained period, most approaches use a temporal window to ensure the co-activity occurs within a specific timeframe [9, 14, 19, 24]. Real-world application requires considering near real-time processing, creating performance requirements, which also highlight gaps in the semantics of coordination in the literature. These methods could all exploit temporal elements of coordinated activity. We describe preliminary research regarding coordination network semantics, coordination network construction, relevant observations in three political Twitter datasets and the role of cheerleaders in revealing social bots.
公開日:2022-08-12
翻訳日:2023-03-23 06:50:51
# Haemers 境界の tracial version について

On a tracial version of Haemers bound ( http://arxiv.org/abs/2107.02567v2 )

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Li Gao, Sander Gribling, Yinan Li(参考訳) 我々は、交換作用素モデルにおいて、グラフの量子独立数と量子シャノン容量の上限をそれらの値に拡張する。 フォン・ノイマン代数的一般化(英語版)(von Neumann algebraic generalization of the fractional Haemers bound)を導入し($\mathbb{C}$)、一般化が可換な量子独立数であることを示す。 私たちはこの境界を tracial Haemers bound と呼び、それが強い積に対して乗法的であることを証明します。 特に、これはシャノン容量の上限となる。 スペクトルヘイマー境界は、シャノンキャパシティ上のもう1つのよく知られた上界であるLov\'asz Theta関数と相容れない。 スペクトルと分数Haemers境界の分離は、コンヌの埋め込み予想に反することを示す。 その過程で、トラシアルランクとトラシアルヘマー束縛がグラフ(zuiddam, combinatorica, 2019)の(量子的に変化する)漸近スペクトルの元であることが証明される。 また、慣性境界(量子独立数の上界)は可換量子独立数の上界であることを示す。

We extend upper bounds on the quantum independence number and the quantum Shannon capacity of graphs to their counterparts in the commuting operator model. We introduce a von Neumann algebraic generalization of the fractional Haemers bound (over $\mathbb{C}$) and prove that the generalization upper bounds the commuting quantum independence number. We call our bound the tracial Haemers bound, and we prove that it is multiplicative with respect to the strong product. In particular, this makes it an upper bound on the Shannon capacity. The tracial Haemers bound is incomparable with the Lov\'asz theta function, another well-known upper bound on the Shannon capacity. We show that separating the tracial and fractional Haemers bounds would refute Connes' embedding conjecture. Along the way, we prove that the tracial rank and tracial Haemers bound are elements of the (commuting quantum) asymptotic spectrum of graphs (Zuiddam, Combinatorica, 2019). We also show that the inertia bound (an upper bound on the quantum independence number) upper bounds the commuting quantum independence number.
公開日:2022-05-19
翻訳日:2023-03-23 06:50:34
# 関係量子力学とpbr定理:平和的共存

Relational Quantum Mechanics and the PBR Theorem: A Peaceful Coexistence ( http://arxiv.org/abs/2107.02566v1 )

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Andrea Oldofredi, Claudio Calosi(参考訳) リレーショナル量子力学(RQM)によれば、波動関数 $\psi$ は時空で進化する具体的な物理アイテムでも、ある量子系の絶対状態を表すオブジェクトでもないと考えられている。 この解釈的枠組みでは、$\psi$ は観測者の情報を符号化する計算装置として定義される。 この観点はpbrの定理と相反しており、波動関数がいくつかのオントティック状態によって記述された基礎となる現実の知識を表現するという形式的な結果である。 この論文では、RQMはPBRの議論の結論に影響されず、従って、主張された矛盾を解消することができる。 そのために、PBR定理の根底、すなわちハリガンとスペクケンスの存在論的モデルの分類について徹底的に議論し、オンティック状態の性質に関する暗黙の仮定がRQMの主テットと相容れないことを示す。 次に,関係性PBR型の結果を導出できるかどうかを質問し,負に答える。 この結論は、文献でまだ議論されていないこの定理のいくつかの限界を示している。

According to Relational Quantum Mechanics (RQM) the wave function $\psi$ is considered neither a concrete physical item evolving in spacetime, nor an object representing the absolute state of a certain quantum system. In this interpretative framework, $\psi$ is defined as a computational device encoding observers' information; hence, RQM offers a somewhat epistemic view of the wave function. This perspective seems to be at odds with the PBR theorem, a formal result excluding that wave functions represent knowledge of an underlying reality described by some ontic state. In this paper we argue that RQM is not affected by the conclusions of PBR's argument; consequently, the alleged inconsistency can be dissolved. To do that, we will thoroughly discuss the very foundations of the PBR theorem, i.e. Harrigan and Spekkens' categorization of ontological models, showing that their implicit assumptions about the nature of the ontic state are incompatible with the main tenets of RQM. Then, we will ask whether it is possible to derive a relational PBR-type result, answering in the negative. This conclusion shows some limitations of this theorem not yet discussed in the literature.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:50:15
# 光量子状態の生成・操作・キャラクタリゼーション入門

Introduction to generation, manipulation and characterization of optical quantum states ( http://arxiv.org/abs/2107.02519v2 )

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Stefano Olivares(参考訳) なぜ視覚を記述するのに量子化が必要なのか? 電磁界の二次作用素とは何か? 測定することは可能ですか? 特徴関数は何に役立ちますか? この簡単なチュートリアルでは、光量子状態の生成、操作、キャラクタリゼーション、および香港-ウー-マンデル干渉計や連続変数量子テレポーテーションのような実験に関わる主受動(ビームスプリッター)およびアクティブ(スキーザー)デバイスを記述するのに必要な理論的ツールを提供する。 また、演算子順序付けの概念と、$p$-ordered characteristic関数によるシステム記述についても紹介する。 次に,準確率分布に着目し,特にウィグナー関数の辺数と二次作用素測定の結果との関係について考察する。 最後に,非単位量子効率の存在下での量子光学状態を特徴付ける手段として,二次作用素とホモダイントモグラフィを測定するために,平衡ホモダイン検出を導入する。

Why do we need quantization to describe vision? What are the quadrature operators of the electromagnetic field? Is it possible to measure them? What are the characteristic functions useful for? In this brief tutorial we provide the theoretical tools needed to describe the generation, manipulation and characterization of optical quantum states and of the main passive (beam splitters) and active (squeezers) devices involved in experiments, such as the Hong-Ou-Mandel interferometer and the continuous-variable quantum teleportation. We also introduce the concept of operator ordering and the description of a system by means of the $p$-ordered characteristic functions. Then we focus on the quasi-probability distributions and, in particular, on the relation between the marginals of the Wigner function and the outcomes of the quadrature operator measurement. Finally, we introduce the balanced homodyne detection to measure the quadrature operator and the homodyne tomography as a tool for characterizing quantum optical states also in the presence of non-unit quantum efficiency.
公開日:2021-09-20
翻訳日:2023-03-23 06:49:53
# 開放系における相関減衰とマルコビアン性

Correlation decay and Markovianity in open systems ( http://arxiv.org/abs/2107.02515v2 )

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Marco Merkli(参考訳) 有限量子系sは、熱的ボソニック貯水池rに結合され、初期sr状態は、大きなクラスから取られた量子演算を非結合平衡状態に適用することにより、関連付けられる可能性がある。 系-保存力学はマルコフ項と相関項で与えられ、結合定数 $\lambda$ の残りの小ささは、すべての時間に対して一様に$t\ge 0$ である。 相関項は多項式時間で、$\lambda$ に依存しない速度で崩壊する。 その後、マルコフ項が支配的になり、系はデイヴィス生成器によって生成された完全正のトレース保存半群に従って発展し、貯水池は平衡状態のままである。 これは (a)最初のSR相関が崩壊した後、SRダイナミクスはボルンとマルコフの近似が有効である状態に入る。 (b)還元系ダイナミクスは、相関したsr初期状態であっても、常にマルコフ的である。

A finite quantum system S is coupled to a thermal, bosonic reservoir R. Initial SR states are possibly correlated, obtained by applying a quantum operation taken from a large class, to the uncoupled equilibrium state. We show that the full system-reservoir dynamics is given by a markovian term plus a correlation term, plus a remainder small in the coupling constant $\lambda$ uniformly for all times $t\ge 0$. The correlation term decays polynomially in time, at a speed independent of $\lambda$. After this, the markovian term becomes dominant, where the system evolves according to the completely positive, trace-preserving semigroup generated by the Davies generator, while the reservoir stays stationary in equilibrium. This shows that (a) after initial SR correlations decay, the SR dynamics enters a regime where both the Born and Markov approximations are valid, and (b) the reduced system dynamics is markovian for all times, even for correlated SR initial states.
公開日:2022-08-10
翻訳日:2023-03-23 06:49:36
# 立方相ゲートを用いたテレポーテーション

Teleportation with a cubic phase gate ( http://arxiv.org/abs/2107.02511v1 )

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E. R. Zinatullin, S. B. Korolev, T. Yu. Golubeva(参考訳) 本研究では, 転位した圧縮状態に立方相ゲートを適用して, テレポーテーション精度を向上させるための量子テレポーテーション方式を提案する。 提案手法をハイゼンベルクの言語で記述し, テレポーテーションに誤差を加えるという観点から評価し, 元のスキームよりも誤差を少なくできることを示した。 波動関数の言語で記述を繰り返すと、変位値の範囲が発見され、その結果が妥当となる。 真空状態のテレポーテーションの例を用いて、このスキームは高い忠実度値を達成することができることを示した。

We propose a modified quantum teleportation scheme to increase the teleportation accuracy by applying a cubic phase gate to the displaced squeezed state. We have described the proposed scheme in Heisenberg's language, evaluating it from the point of view of adding an error in teleportation, and have shown that it allows achieving less error than the original scheme. Repeating the description in the language of wave functions, we have found the range of the displacement values, at which our conclusions will be valid. Using the example of teleportation of the vacuum state, we have shown that the scheme allows one to achieve high fidelity values.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:49:20
# 長距離相互作用を持つモデルに相関長はあるか?

Is there a correlation length in a model with long-range interactions? ( http://arxiv.org/abs/2107.02508v1 )

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Debasis Sadhukhan and Jacek Dziarmaga(参考訳) 長距離キタエフモデルの一例を考えると、臨界点から離れた相関関数が通常の指数的崩壊ではなく、パワーローテールを持つ長距離相互作用を持つモデルにおける相関長を求める。 準粒子スペクトルは、標準相関長指数である$\nu$を識別できる方法で臨界点からの距離に依存することが判明した。 指数は、臨界点が近づくと発散する相関長$\xi$ を暗黙的に定義する。 相関長は相関関数にも現れるが,指数的尾部には存在しない。 代わりに$\xi$ は異なる指数を持つ2つの異なる代数的崩壊の間の交差を示す距離である。 距離が\xi$より短いとき、コリレーターは臨界点と同じパワー法則で崩壊し、$\xi$よりも長い距離ではより急なパワー法則でより早く崩壊する。 このコリレータでは、通常のスケーリング仮説を、スケーリング距離の役割を担う$\xi$で定式化することができる。 相関長は、サブリーディングの異常なフェルミオンコリレータにも印を残しているが、興味深いことに、短距離の臨界パワーロー崩壊が長距離パワーローテールよりも急な長距離相互作用の仕組みが存在する。

Considering an example of the long-range Kitaev model, we are looking for a correlation length in a model with long range interactions whose correlation functions away from a critical point have power-law tails instead of the usual exponential decay. It turns out that quasiparticle spectrum depends on a distance from the critical point in a way that allows to identify the standard correlation length exponent, $\nu$. The exponent implicitly defines a correlation length $\xi$ that diverges when the critical point is approached. We show that the correlation length manifests itself also in the correlation function but not in its exponential tail because there is none. Instead $\xi$ is a distance that marks a crossover between two different algebraic decays with different exponents. At distances shorter than $\xi$ the correlator decays with the same power law as at the critical point while at distances longer than $\xi$ it decays faster, with a steeper power law. For this correlator it is possible to formulate the usual scaling hypothesis with $\xi$ playing the role of the scaling distance. The correlation length also leaves its mark on the subleading anomalous fermionic correlator but, interestingly, there is a regime of long range interactions where its short distance critical power-law decay is steeper than its long distance power law tail.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:49:10
# 断熱量子力学における幾何学的位相と例外点の統一的考察

A Unified View on Geometric Phases and Exceptional Points in Adiabatic Quantum Mechanics ( http://arxiv.org/abs/2107.02497v2 )

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Eric J. Pap, Dani\"el Boer and Holger Waalkens(参考訳) 任意の有限次元非退化ハミルトニアンに対する断熱量子力学の研究のための公式な幾何学的枠組みを示す。 この枠組みは、幾何学的位相の初期のホロノミー解釈を非エルミート的ハミルトニアンに現れる非巡回状態へと一般化する。 まず、有限次元状態空間上の非退化作用素の空間の研究から始める。 次に、ハミルトン族のエネルギーバンドがどのように被覆空間を形成するかを示す。 同様に、固有線は、(一般化された)幾何学的位相を与える自然な接続を許す主束の一般化である束を形成する。 このバンドルは、さらに量子幾何学的テンソルと導出テンソルの自然な一般化を提供し、非幾何学的動的位相を組み込む方法を示す。 我々は、バンドルを主バンドルとして再キャストする方法を実証することによって、幾何位相と固有状態の置換の両方を標準ホロノミー理論によって同時に表現できることを示す。

We present a formal geometric framework for the study of adiabatic quantum mechanics for arbitrary finite-dimensional non-degenerate Hamiltonians. This framework generalizes earlier holonomy interpretations of the geometric phase to non-cyclic states appearing for non-Hermitian Hamiltonians. We start with an investigation of the space of non-degenerate operators on a finite-dimensional state space. We then show how the energy bands of a Hamiltonian family form a covering space. Likewise, we show that the eigenrays form a bundle, a generalization of a principal bundle, which admits a natural connection yielding the (generalized) geometric phase. This bundle provides in addition a natural generalization of the quantum geometric tensor and derived tensors, and we show how it can incorporate the non-geometric dynamical phase as well. We finish by demonstrating how the bundle can be recast as a principal bundle, so that both the geometric phases and the permutations of eigenstates can be expressed simultaneously by means of standard holonomy theory.
公開日:2022-01-13
翻訳日:2023-03-23 06:48:46
# 相対論的量子系におけるアクセシブルで到達不能な量子コヒーレンス

Accessible and inaccessible quantum coherence in relativistic quantum systems ( http://arxiv.org/abs/2107.02490v2 )

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Saveetha Harikrishnan, Segar Jambulingam, Peter P. Rohde and Chandrashekar Radhakrishnan(参考訳) 多成分系の量子コヒーレンスを、一様加速度で移動している当事者の一部について検討し、単一モード近似を用いて解析を行う。 加速のため、量子コヒーレンスはアクセス可能でアクセス不能なコヒーレンスとして2つの部分に分けられ、全解析は単一モード近似で行われている。 まず,GHZとW状態を考慮した三部構造について検討する。 我々は、これらの状態の量子コヒーレンスが無限加速の限界において消滅せず、非ゼロ値に同調することを発見した。 これらの結果は1ビットと2ビットの加速を保っている。 ghzおよびw状態において、コヒーレンスは量子ビット間の相関として分布し、グローバルコヒーレンスとして知られている。 しかし、量子コヒーレンスも、量子ビット内の重ね合わせ、局所コヒーレンスによって存在する。 局所コヒーレンスの性質を研究するために, 分離状態について検討する。 GHZ状態、W状態、分離可能な状態は1種類のコヒーレンスしか含まない。 次に、局所的および大域的コヒーレンスが共存する$W \bar{W}$およびスター状態を考える。 局所的コヒーレンスと大域的コヒーレンスの両方の均一な加速の下では、同様の定性的挙動を示す。 最後に、n < N 加速量子ビットに対する N-粒子 GHZ と W-状態の量子コヒーレンスに関する解析式を導出する。 多成分のghz状態の量子コヒーレンスが加速量子ビット数で指数関数的に減少するのに対し、多成分のw状態の場合、量子コヒーレンスは多項式のみ減少する。 我々は、w状態はunruhデコヒーレンスより強固であると結論し、衛星ベースの量子通信やブラックホール物理学における潜在的な応用について論じる。

The quantum coherence of a multipartite system is investigated when some of the parties are moving with uniform acceleration and the analysis is carried out using the single mode approximation. Due to acceleration the quantum coherence is divided into two parts as accessible and inaccessible coherence and the entire analysis has been carried out in the single-mode approximation. First we investigate tripartite systems, considering both GHZ and W-states. We find that the quantum coherence of these states does not vanish in the limit of infinite acceleration, rather asymptoting to a non-zero value. These results hold for both single- and two-qubit acceleration. In the GHZ and W-states the coherence is distributed as correlations between the qubits and is known as global coherence. But quantum coherence can also exist due to the superposition within a qubit, the local coherence. To study the properties of local coherence we investigate separable state. The GHZ state, W-state and separable states contain only one type of coherence. Next we consider the $W \bar{W}$ and star states in which both local and global coherences coexist. We find that under uniform acceleration both local and global coherence show similar qualitative behaviour. Finally we derive analytic expressions for the quantum coherence of N-partite GHZ and W-states for n < N accelerating qubits. We find that the quantum coherence of a multipartite GHZ state falls exponentially with the number of accelerated qubits, whereas for multipartite W-states the quantum coherence decreases only polynomially. We conclude that W-states are more robust to Unruh decoherence and discuss some potential applications in satellite-based quantum communication and black hole physics.
公開日:2022-05-05
翻訳日:2023-03-23 06:48:31
# 有限サイズの系の動的量子相転移に対するロスシュミットエコーと量子速度制限時間の厳密な零点

Exact zeros of the Loschmidt echo and quantum speed limit time for the dynamical quantum phase transition in finite-size systems ( http://arxiv.org/abs/2107.02709v3 )

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Bozhen Zhou, Yumeng Zeng, Shu Chen(参考訳) 有限サイズ系の動的量子相転移に対するロスシュミットエコーと量子速度制限時間の正零点について検討した。 その結果,ポストクエンチパラメータが初期相とは異なる平衡相を持つ領域で離散値を取る場合,有限サイズの量子系においてもロスシュミットエコーの正零点が存在することが分かった。 システムサイズが増大し無限になるにつれて、離散パラメータはパラメータ領域内で連続的に分散する。 我々はさらに、量子速度制限時間 $\tau_{\text{qsl}}$ として知られるロスシュミットエコーの最初の正確なゼロの出現時間を分析する。 臨界相に初期非臨界状態を取り込む際に、$\tau_{\text{QSL}}$の最大値は$L$に比例し、熱力学極限における無限大にアプローチすることを実証する。 また、$\tau_{\text{QSL}}$の最小値も計算し、その振舞いが初期状態のフェーズに依存していることを確認する。

We study exact zeros of Loschmidt echo and quantum speed limit time for dynamical quantum phase transition in finite size systems. Our results illustrate that exact zeros of Loschmidt echo exist even in finite size quantum systems when the postquench parameter takes some discrete values in regions with the corresponding equilibrium phase different from the initial phase. As the system size increases and tends to infinity, the discrete parameters distribute continuously in the parameter regions. We further analyze the time for the appearance of the first exact zero of Loschmidt echo which is known as the quantum speed limit time $\tau_{\text{QSL}}$. We demonstrate that the maximal value of $\tau_{\text{QSL}}$ is proportional to $L$ and approaches infinity in the thermodynamical limit, when we quench the initial non-critical state to the critical phase. We also calculate the minimal value of $\tau_{\text{QSL}}$ and find that its behavior is dependent on the phase of initial state.
公開日:2021-09-29
翻訳日:2023-03-23 06:42:00
# 偏光物体のメタサーフェス支援量子ゴースト識別

Metasurface-Assisted Quantum Ghost Discrimination of Polarization Objects ( http://arxiv.org/abs/2107.02703v1 )

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Andres Vega, Thomas Pertsch, Frank Setzpfandt, Andrey A. Sukhorukov(参考訳) 偏光物体群間の非局所的識別のためのメタサーフェス支援ゴーストイメージングの概念を開発した。 特別に設計されたメタサーフェスがイメージングシステムに組み込まれ、量子エンタングルや古典的相関を持つ光子の楕円基底における並列状態変換を行う。 そして、対象物が完全にあるいは部分的に透明な偏光要素と任意の向きの角度を識別できるのは、複数の準曲面出力と単純な偏光無感なバケット検出器の間の相関測定が4つ以下である。 我々は、絡み合った光子状態が、幅広い種類の対象に対する古典的相関よりも根本的な優位性をもたらすことを厳密に証明する。 このアプローチは、動的環境における様々なスペクトル領域にわたるリアルタイムおよび低照度イメージングの応用を見つけることができる。

We develop a concept of metasurface-assisted ghost imaging for non-local discrimination between a set of polarization objects. The specially designed metasurfaces are incorporated in the imaging system to perform parallel state transformations in general elliptical bases of quantum-entangled or classically-correlated photons. Then, only four or fewer correlation measurements between multiple metasurface outputs and a simple polarization-insensitive bucket detector after the object can allow for the identification of fully or partially transparent polarization elements and their arbitrary orientation angles. We rigorously establish that entangled photon states offer a fundamental advantage compared to classical correlations for a broad class of objects. The approach can find applications for real-time and low-light imaging across diverse spectral regions in dynamic environments.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:41:41
# ランタノイド分子の化学結合と構造における軌道および磁気異方性の相対論的側面

Relativistic aspects of orbital and magnetic anisotropies in the chemical bonding and structure of lanthanide molecules ( http://arxiv.org/abs/2107.02676v1 )

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Eite Tiesinga, Jacek Klos, Ming Li, Alexander Petrov, and Svetlana Kotochigova(参考訳) 磁気ランタニド原子の電子構造は基本的な観点から興味深い。 それらは6sシェルの下の水没した4f殻に電子を持ち、強い相対論的相関を持ち、大きな磁気モーメントと大きな電子軌道角運動量をもたらす。 この大きな角運動量は強い異方性をもたらす。 e. 相互の相互作用における方向依存。 長い配列の分子異方性は、スピンベースの量子コンピュータで超低温のランタノイド原子を使用する提案、相関物質におけるエキゾチック状態の実現、磁気技術で見つかる軌道論のシミュレーションに不可欠である。 これらの原子種の短距離相互作用と結合形成は、今のところよく分かっていない。 効率的な相対論的計算が必要である。 ここでは, 重質ホモ核ランタニドer2およびtm2分子の電子状態およびロ振動状態を, 最先端の相対論的手法を用いて初めて理論的に決定する。 内部構造が複雑であるにもかかわらず、2つの基底状態原子に解離する91 Er2と36 Tm2の電子ポテンシャル間の信頼できるスピン軌道と相関による分裂を得ることができた。 テンソル解析は、将来の研究を単純化する7つのスピンスピンテンソル作用素の和を用いて原子間のポテンシャルを拡張することができる。 原子分離の関数としてのテンソル作用素の強度を示し、分散長範囲相互作用から導かれる強度間の関係を説明する。 最後に、結合チャネル計算を用いて低分解能のロ-振動エネルギーレベルを計算し、解析する。

The electronic structure of magnetic lanthanide atoms is fascinating from a fundamental perspective. They have electrons in a submerged open 4f shell lying beneath a filled 6s shell with strong relativistic correlations leading to a large magnetic moment and large electronic orbital angular momentum. This large angular momentum leads to strong anisotropies, i. e. orientation dependencies, in their mutual interactions. The long-ranged molecular anisotropies are crucial for proposals to use ultracold lanthanide atoms in spin-based quantum computers, the realization of exotic states in correlated matter, and the simulation of orbitronics found in magnetic technologies. Short-ranged interactions and bond formation among these atomic species have thus far not been well characterized. Efficient relativistic computations are required. Here, for the first time we theoretically determine the electronic and ro-vibrational states of heavy homonuclear lanthanide Er2 and Tm2 molecules by applying state-of-the-art relativistic methods. In spite of the complexity of their internal structure, we were able to obtain reliable spin-orbit and correlation-induced splittings between the 91 Er2 and 36 Tm2 electronic potentials dissociating to two ground-state atoms. A tensor analysis allows us to expand the potentials between the atoms in terms of a sum of seven spin-spin tensor operators simplifying future research. The strengths of the tensor operators as functions of atom separation are presented and relationships among the strengths, derived from the dispersive long-range interactions, are explained. Finally, low-lying spectroscopically relevant ro-vibrational energy levels are computed with coupled-channels calculations and analyzed.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:41:27
# 軽量プラットフォームにおける協調量子現象

Cooperative quantum phenomena in light-matter platforms ( http://arxiv.org/abs/2107.02674v3 )

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Michael Reitz, Christian Sommer, Claudiu Genes(参考訳) 量子協力性は、量子エミッタアンサンブルが制限された光モードと相互作用し、ユビキタスな電磁量子真空を介して結合される光マッタープラットフォームにおいて明らかである。 協調効果は、他の分野、トポロジカル量子光学、量子論、量子情報における応用を見出すことができる。 このチュートリアルは、マスター方程式や量子ランゲヴィン方程式のようなオープン量子系力学の手法を強い結合と相関の量子エミッターアンサンブルにおける電子-光子相互作用に拡張することにより、協調性の開始に責任を負う行動に取り組むための理論的ツールセットを提供する。 これらの手法は、ナノスケールコヒーレント光源の設計、高反射性量子準曲面、低キャビティパワー超放射光レーザーなど、様々な研究トピックで説明されている。 解析的アプローチは同一の2レベル量子エミッタのアンサンブルのために開発され、周波数障害や振動結合を考慮したより複雑なシステムに拡張される。 アプローチの関連性は、光学格子の原子から固体環境の量子ドットや分子システムまで様々である。

Quantum cooperativity is evident in light-matter platforms where quantum emitter ensembles are interfaced with confined optical modes and are coupled via the ubiquitous electromagnetic quantum vacuum. Cooperative effects can find applications, among other areas, in topological quantum optics, in quantum metrology or in quantum information. This tutorial provides a set of theoretical tools to tackle the behavior responsible for the onset of cooperativity by extending open quantum system dynamics methods, such as the master equation and quantum Langevin equations, to electron-photon interactions in strongly coupled and correlated quantum emitter ensembles. The methods are illustrated on a wide range of current research topics such as the design of nanoscale coherent light sources, highly-reflective quantum metasurfaces or low intracavity power superradiant lasers. The analytical approaches are developed for ensembles of identical two-level quantum emitters and then extended to more complex systems where frequency disorder or vibronic couplings are taken into account. The relevance of the approach ranges from atoms in optical lattices to quantum dots or molecular systems in solid-state environments.
公開日:2022-01-07
翻訳日:2023-03-23 06:41:03
# 双フィールド量子鍵分布を用いたネットワーク冷却コストの低減

Reducing Network Cooling Cost Using Twin-Field Quantum Key Distribution ( http://arxiv.org/abs/2107.02665v2 )

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Vasileios Karavias and Andrew Lord and Mike Payne(参考訳) 量子セキュアキーが生成されるレートと距離を改善することは大きな課題である。 新しいソースと検出器ハードウェアはキーレートを大幅に改善するが、高価な冷却が必要となる。 ツインフィールド量子鍵分布(tf qkd)は冷却検出器の局所化を可能にする有利な位相を持つことを示す。 この量子ネットワークのセットアップにより、全接続がゼロのキーレートを持つネットワークソリューション、すなわち4つの冷却ノードを持つ長さ110kmまでのボックスで、デコイ状態BB84は40個の冷却ノードで最大80kmまで、ノードが冷却されない場合は50kmまでしか実現できない。 局部冷却されたTF QKDのネットワークの平均キーレートは、未冷却のDcoy BB84溶液の30倍以上、冷却されたDecoy BB84の0.9倍である。 ネットワークのコストをさらに削減するために、ネットワーク内でスイッチを使用することができる。 これらのスイッチは1から2dBの損失がある。 これらの損失をモデルに追加すると、ネットワークにおけるTF-QKDのメリットがさらに向上する。 Decoy BB84は、すべてのノードが1dB損失のために40ノードネットワークで冷却された場合、最大20kmの完全接続ソリューションしか生成できない。 対照的に、TF QKD、70kmのネットワークは、同じ損失に対して4つの冷却場所しか持たない。 このシミュレーションは、スイッチングネットワークでTF QKDを使用する際の大きな利点を示し、この方向の更なる作業が必要であることを示唆している。

Improving the rates and distances over which quantum secure keys are generated is a major challenge. New source and detector hardware can improve key rates significantly, however it can require expensive cooling. We show that Twin Field Quantum Key Distribution (TF QKD) has an advantageous topology allowing the localisation of cooled detectors. This setup for a quantum network allows a fully connected network solution, i.e. one where every connection has non zero key rates, in a box with sides of length up to 110km with just 4 cooled nodes, while Decoy state BB84 is only capable of up to 80km with 40 cooled nodes, and 50km if no nodes are cooled. The average key rate in the network of the localised, cooled TF QKD is more than 30 times greater than the uncooled Decoy BB84 solution and 0.9 those of cooled Decoy BB84. To reduce the cost of the network further, switches can be used in the network. These switches have losses ranging between 1 to 2dB. Adding these losses to the model shows further the advantages of TF-QKD in a network. Decoy BB84 is only able to generate fully connected solutions up to 20km if all nodes are cooled for a 40 node network for 1dB losses. In comparison, using TF QKD,70km networks are possible with just 4 cooling locations for the same losses. The simulation shows the significant benefits in using TF QKD in a switched network, and suggests that further work in this direction is necessary.
公開日:2021-07-14
翻訳日:2023-03-23 06:40:42
# 量子単純排他過程におけるゆらぎのダイナミクス

Dynamics of Fluctuations in Quantum Simple Exclusion Processes ( http://arxiv.org/abs/2107.02662v3 )

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Denis Bernard, Fabian H.L. Essler, Ludwig Hruza, Marko Medenjak(参考訳) 周期境界条件を持つ量子非対称単純排他過程(Q-ASEP)におけるゆらぎのダイナミクスを考察する。 Q-ASEPは、マルコフ環境によって誘導されるランダムホッピングを持つスピンレスフェルミオンの連鎖を記述する。 フェルミオン自由度のゆらぎはリンドブラッド型の進化方程式に従うことを示し、対応するリンドブラディアンを導出する。 基礎となる代数構造を非エルミートスピン鎖にマッピングすることで同定し、作用素空間の断片が時間発展の下で不変な指数関数的に多くの(系サイズで)セクタに分解されることを示す。 二次変動のレベルでは、量子対称単純排他過程(Q-SSEP)の特定の場合の遅延時間ダイナミクスを決定するセクターについてリンドブラディアンを考える。 いくつかのケースでは対応するブロックが既知のyang-baxter可積分モデルに対応し、他のケースのレベルスペーシング統計を調べる。 我々は,遅い時間行動を支配する定常状態と遅いモードの詳細な解析を行い,線形微分微分方程式の閉集合を用いて観測可能なゆらぎのダイナミクスを記述できることを示した。 これらの方程式に対する解の挙動は本質的には微分的だが、関連する偏差により、十分遅い時間と大きな距離で、我々が構成する連続体スケーリング限界(continuum scaling limit)の観点で記述できる。 我々は、このスケーリング限界の有効性を、かなりの時間と空間のスケールで数値的に確認する。 これらの結果は、時間外順序相関器と演算子の絡み合いに着目して、大規模に拡散する演算子の研究に適用される。

We consider the dynamics of fluctuations in the quantum asymmetric simple exclusion process (Q-ASEP) with periodic boundary conditions. The Q-ASEP describes a chain of spinless fermions with random hoppings that are induced by a Markovian environment. We show that fluctuations of the fermionic degrees of freedom obey evolution equations of Lindblad type, and derive the corresponding Lindbladians. We identify the underlying algebraic structure by mapping them to non-Hermitian spin chains and demonstrate that the operator space fragments into exponentially many (in system size) sectors that are invariant under time evolution. At the level of quadratic fluctuations we consider the Lindbladian on the sectors that determine the late time dynamics for the particular case of the quantum symmetric simple exclusion process (Q-SSEP). We show that the corresponding blocks in some cases correspond to known Yang-Baxter integrable models and investigate the level-spacing statistics in others. We carry out a detailed analysis of the steady states and slow modes that govern the late time behaviour and show that the dynamics of fluctuations of observables is described in terms of closed sets of coupled linear differential-difference equations. The behaviour of the solutions to these equations is essentially diffusive but with relevant deviations, that at sufficiently late times and large distances can be described in terms of a continuum scaling limit which we construct. We numerically check the validity of this scaling limit over a significant range of time and space scales. These results are then applied to the study of operator spreading at large scales, focusing on out-of-time ordered correlators and operator entanglement.
公開日:2021-12-21
翻訳日:2023-03-23 06:40:14
# ネガサイクリック符号からの量子同期可能な新しい符号群

A new family of quantum synchronizable codes from negacyclic codes ( http://arxiv.org/abs/2107.02648v3 )

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Tao Wang and Tongjiang Yan and Shiwen Sun(参考訳) 量子同期可能符号 (quantum synchronizable codes) は量子誤り訂正符号の一種であり、量子ノイズが量子ビットに与える影響を補正するだけでなく、ブロック同期の誤りを修正できる。 本稿では, ネガサイクル符号から量子シンクロナイズ可能な符号を構成するための新しい手法を提案し, ネガサイクル符号の長さは$p$と$pq$である。 この方法では、我々が使ったネガサイクリック符号は最適またはほぼ最適であるため、量子同期符号はビット誤りや位相誤差に対して最適またはほぼ最適の誤り訂正能力を有する。 さらに,特定の条件下では,同期能力が上限に達する2種類の量子同期可能符号の構成に寄与する。

Quantum synchronizable codes are kinds of quantum error-correcting codes that can not only correct the effects of quantum noise on qubits but also the misalignment in block synchronization. In this paper, a new method for construct quantum synchronizable codes from negacyclic codes are proposed, where the length of these negacyclic codes are $p$ and $pq$. Through this method, the quantum synchronizable code possesses optimal or almost optimal error-correcting capability towards bits errors and phase errors, since the negacyclic codes we used are optimal or almost optimal. Moreover, this paper contributes to construct two classes quantum synchronizable codes, whose synchronization capabilities can reach the upper limit under certain conditions.
公開日:2022-03-18
翻訳日:2023-03-23 06:39:47
# 放射崩壊を伴わないパーセル効果の探索:周波数領域と時間領域での教訓

Probing the Purcell effect without radiative decay: Lessons in the frequency and time domains ( http://arxiv.org/abs/2107.02647v1 )

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Frieder Lindel, Francesca Fabiana Settembrini, Robert Bennett, Stefan Yoshi Buhmann(参考訳) 量子真空ゆらぎの電気光学サンプリングの基礎となる微視的過程を考察し、仮想光子の交換の観点からこれらの実験の解釈を導いた。 このことを念頭に置いて、パーセル効果、すなわち量子真空上の空洞によって誘起される変化を直接周波数と時間領域で研究する方法が示されている。 これにより、量子真空の電気光学的サンプリングと幾何誘起真空効果とのリンクが形成される。

The microscopic processes underlying electro-optic sampling of quantum-vacuum fluctuations are discussed, leading to the interpretation of these experiments in terms of an exchange of virtual photons. With this in mind it is shown how one can directly study the Purcell effect, i.e. the changes induced by cavities upon the quantum vacuum, in the frequency and time domains. This forges a link between electro-optic sampling of the quantum vacuum and geometry-induced vacuum effects.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:39:34
# 光格子における交流偏光性と光電離断面積測定

AC polarizability and photoionization cross-section measurements in an optical lattice ( http://arxiv.org/abs/2107.02635v2 )

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Ryan Cardman, Xiaoxuan Han, Jamie L. MacLennan, Alisher Duspayev, Georg Raithel(参考訳) 二重共鳴2光子レーザー分光法を用いて、ルビジウム5$d_{3/2}$レベル、$\alpha^{s}_{5d_{3/2}}$の動的スカラー偏光率を$\lambda=1064$~nmの波長で測定する。 $\lambda$ は Rb 5$D_{3/2}$ レベルの光イオン化(PI)限界よりも短いので、$\alpha^{S}_{5D_{3/2}}$ は有界および有界な遷移行列要素の両方に依存する。 PIにより、レベルも大幅に拡張される。 1064$-nmの磁場は、真空中の電界エンハンスメントキャビティによって生成される深い光学格子("\sim10^{5}$~photon recoils")の形で適用される。 分光法では、光強度を測定する必要をなくすために、既知の動的偏光度を用いる。 原子単位では、推定値と一致して$\alpha^{s}_{5d_{3/2}}=-524(17)$となる。 さらに、スペクトル線幅から5D_{3/2}$光イオン化クロスセクション$\sigma$を1064$~nmで抽出し、$\sigma=44(1)$~Mbを求める。

We use double-resonant two-photon laser spectroscopy to measure the dynamic scalar polarizability of the rubidium 5$D_{3/2}$ level, $\alpha^{S}_{5D_{3/2}}$, at a wavelength of $\lambda=1064$~nm. Since $\lambda$ is shorter than the photoionization (PI) limit of the Rb 5$D_{3/2}$ level, $\alpha^{S}_{5D_{3/2}}$ depends on both bound-bound and bound-free transition matrix elements. The level also undergoes significant broadening due to PI. The $1064$-nm field is applied in the form of a deep optical lattice ($\sim10^{5}$~photon recoils) generated by an in-vacuum field-enhancement cavity. In our spectroscopic method, we use known dynamic polarizabilities to eliminate the need to measure the light intensity. Our method yields, in atomic units, $\alpha^{S}_{5D_{3/2}}=-524(17)$, in agreement with estimates. Additionally, we extract the $5D_{3/2}$ photoionization cross section $\sigma$ at $1064$~nm from spectral linewidths; we find $\sigma=44(1)$~Mb.
公開日:2021-07-20
翻訳日:2023-03-23 06:39:25
# 一般化量子部分空間展開

Generalized quantum subspace expansion ( http://arxiv.org/abs/2107.02611v3 )

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Nobuyuki Yoshioka, Hideaki Hakoshima, Yuichiro Matsuzaki, Yuuki Tokunaga, Yasunari Suzuki, Suguru Endo(参考訳) 誤った量子コンピュータの主要な課題の1つは、間違いなくノイズの影響に対する制御である。 完全フォールトトレラントではない利用可能な量子リソースの急速な成長を考えると、不要なエラーを抑制するための実用的なハードウェアフレンドリーな量子エラー緩和(QEM)技術を開発することが重要である。 本稿では,量子コンピュータにおける確率的,コヒーレント,アルゴリズム的エラーを処理できる量子部分空間拡張法を提案する。 実質的に拡張された部分空間をフル活用することにより、任意のハミルトンスペクトルに存在するノイズを、ノイズの情報に頼らずに効率的に緩和することができる。 量子部分空間は, 雑音状態である$\rho^m$ と, 誤差ブースト状態の集合によって構成される。 両状況において,エラーを桁違いに抑制できることを数値的に示すとともに,従来の誤りに依存しないQEM手法の利点を継承し,その欠点を克服することを示す。

One of the major challenges for erroneous quantum computers is undoubtedly the control over the effect of noise. Considering the rapid growth of available quantum resources that are not fully fault-tolerant, it is crucial to develop practical hardware-friendly quantum error mitigation (QEM) techniques to suppress unwanted errors. Here, we propose a novel generalized quantum subspace expansion method which can handle stochastic, coherent, and algorithmic errors in quantum computers. By fully exploiting the substantially extended subspace, we can efficiently mitigate the noise present in the spectra of a given Hamiltonian, without relying on any information of noise. The performance of our method is discussed under two highly practical setups: the quantum subspaces are mainly spanned by powers of the noisy state $\rho^m$ and a set of error-boosted states, respectively. We numerically demonstrate in both situations that we can suppress errors by orders of magnitude, and show that out protocol inherits the advantages of previous error-agnostic QEM techniques as well as overcoming their drawbacks.
公開日:2022-02-15
翻訳日:2023-03-23 06:39:02
# F_4$を超える符号からの非有理ナラインCFT

Non-rational Narain CFTs from codes over $F_4$ ( http://arxiv.org/abs/2107.02816v1 )

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Anatoly Dymarsky and Adar Sharon(参考訳) F_4$以上の符号のクラスと非有理なナラインCFTの族の間の写像を構築する。 この構成は、最近導入された量子安定化符号と有理ナライン理論のクラスとの関係を補完するものである。 モジュラーブートストラップの観点からは、分割関数に対する多項式 ansatz を定式化し、モジュラー不変性を一握りの代数的易解制約に還元する。 中心電荷の特定の小さな値に対して、我々の構成は最適理論、すなわちスペクトルギャップの最大値を持つものを与える。

We construct a map between a class of codes over $F_4$ and a family of non-rational Narain CFTs. This construction is complementary to a recently introduced relation between quantum stabilizer codes and a class of rational Narain theories. From the modular bootstrap point of view we formulate a polynomial ansatz for the partition function which reduces modular invariance to a handful of algebraic easy-to-solve constraints. For certain small values of central charge our construction yields optimal theories, i.e. those with the largest value of the spectral gap.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:32:43
# Bell-CHSHの不等式違反は、使用する記述によって異なる結論をもたらす

The violation of Bell-CHSH inequalities leads to different conclusions depending on the description used ( http://arxiv.org/abs/2107.02808v1 )

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Aldo F.G. Solis-Labastida, Melina Gastelum and Jorge G. Hirsch(参考訳) ベル-CHSH不等式違反の実験的観察以来、基礎系の非局所的・文脈的特徴について多くが語られている。 しかしベルの不等式が導出される仮説は、それらを書くために使われる確率空間によって異なる。 ベルの不等式違反は、隠れた変数が全く存在せず、あるいはそれらの値が同時に割り当てられることができない、あるいは値が割り当てられるが、合同確率は適切に定義できない、あるいは異なる文脈で取られた平均値が結合できないという仮定で説明できる。 以上はすべて有効な選択肢であり、それぞれの研究プログラムをサポートするために異なるコミュニティによって選択される。

Since the experimental observation of the violation of the Bell-CHSH inequalities, much has been said about the non-local and contextual character of the underlying system. But the hypothesis from which Bell's inequalities are derived differ according to the probability space used to write them. The violation of Bell's inequalities can, alternatively, be explained assuming that the hidden variables do not exist at all, or that they exist but their values cannot be simultaneously assigned, or that the values can be assigned but joint probabilities cannot be properly defined, or that averages taken in different contexts cannot be combined. All of the above are valid options, selected by different communities to provide support to their particular research program.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:32:31
# アンダーソン不純物モデルを有限温度で焼成する:行列積状態を用いた絡み合いと浴槽力学

Quenching the Anderson impurity model at finite temperature: Entanglement and bath dynamics using matrix product states ( http://arxiv.org/abs/2107.02807v1 )

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Lucas Kohn and Giuseppe E. Santoro(参考訳) 有限温度におけるクエンチドアンダーソン模型の動力学を行列積状態を用いて研究する。 電子浴用チェーンマッピングを発明し、非ゼロ温度を扱うために用いられる熱場変換から生じる2つの鎖の様々な順序に対するMPSの絡み合い構造について検討した。 両鎖のマージは,ハミルトニアンの直観的近距離実装と比較して,有限温度での絡み合いを著しく低減できることを示した。 不純物と入浴のフルダイナミックスをシミュレートする際に可能な、自由風呂モードの個体数を分析することで、クエンチダイナミクスにおける近藤効果の明確な兆候を見出した。

We study the dynamics of the quenched Anderson model at finite temperature using matrix product states. Exploiting a chain mapping for the electron bath, we investigate the entanglement structure in the MPS for various orderings of the two chains, which emerge from the thermofield transformation employed to deal with nonzero temperature. We show that merging both chains can significantly lower the entanglement at finite temperatures as compared to an intuitive nearest-neighbor implementation of the Hamiltonian. Analyzing the population of the free bath modes -- possible when simulating the full dynamics of impurity plus bath -- we find clear signatures of the Kondo effect in the quench dynamics.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:32:18
# Digitized-counterdiabatic 量子近似最適化アルゴリズム

Digitized-counterdiabatic quantum approximate optimization algorithm ( http://arxiv.org/abs/2107.02789v3 )

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P. Chandarana, N. N. Hegade, K. Paul, F. Albarr\'an-Arriagada, E. Solano, A. del Campo, Xi Chen(参考訳) 量子近似最適化アルゴリズム(QAOA)は、組合せ最適化問題の解法から多体量子システムの基底状態の発見に至るまで、複数の目的のために有効な古典量子アルゴリズムであることが証明されている。 qaoa は ansatz に依存したアルゴリズムであるため、より良い最適化のために ansatz を設計する必要は常にある。 そこで本論文では, 短絡を用いて拡張したQAOAのディジタル化バージョンを提案する。 具体的には、より良いアンザッツを設計するための反断熱(CD)駆動項と、ハミルトン項と混合項を用いて、グローバルなパフォーマンスを向上する。 我々は,Isingモデル,古典最適化問題,P-スピンモデルにディジタルカウンセバティックQAOAを適用し,研究のすべてのケースにおいて標準QAOAよりも優れていることを示す。

The quantum approximate optimization algorithm (QAOA) has proved to be an effective classical-quantum algorithm serving multiple purposes, from solving combinatorial optimization problems to finding the ground state of many-body quantum systems. Since QAOA is an ansatz-dependent algorithm, there is always a need to design ansatz for better optimization. To this end, we propose a digitized version of QAOA enhanced via the use of shortcuts to adiabaticity. Specifically, we use a counterdiabatic (CD) driving term to design a better ansatz, along with the Hamiltonian and mixing terms, enhancing the global performance. We apply our digitized-counterdiabatic QAOA to Ising models, classical optimization problems, and the P-spin model, demonstrating that it outperforms standard QAOA in all cases we study.
公開日:2022-03-04
翻訳日:2023-03-23 06:32:01
# 情報量と電磁界について

On Quanta of Information and Electromagnetic Fields ( http://arxiv.org/abs/2107.02786v3 )

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Masroor H. S. Bukhari(参考訳) 量子真空から発生し、初等量子場を発生させる有意義な情報の量子化の予備モデルを提案する。 情報と物理的動作の等価性を確立するために,量子場の源としての情報の量子(あるいは単語のパケット)と,古典的情報の源である量子場と類似した(それらの相互作用の制御における潜在的役割を持つ)ことを試みる。 情報と量子場は量子真空から絡み合った形で出現し、それらの共通の基礎はよく定義された決定論的(幾何学的)構造と確率的(確率的)構造の両方を持つ。 電磁場の量子の等価エネルギーについて、その情報量および信号電力の表現の観点から記述する。 この問題の様々な側面とその基本的な量子場とその相互作用の理解に対する影響と反感について論じる。 決定論的な形での情報と、量子真空中のカオス過程は、量子場への情報の凝縮の可能性をもたらすことが示唆される。

A preliminary model of meaningful quanta of information arising from the quantum vacuum, and giving rise to the elementary quantum fields, is presented. We attempt to establish an equivalence of information and physical action, with the quanta (or packets of words) of information as a source of quantum fields (with a possible role in governing the interactions among those), similar to the quantum fields being the source of classical information. The information and quantum fields emerge in an entangled form out of the quantum vacuum, with their common underlying basis bearing intrinsically both a well-defined deterministic (geometric) and probabilistic (stochastic) structure. The description of equivalent energy of a quantum of the electromagnetic field, in terms of its information content, as well as an expression of the signal power, is provided. Various aspects of this problem and its possible implications and repercussions on our understanding of elementary quantum fields and their interactions are discussed. It is suggested that information, in a deterministic form, as well as chaotic processes within the quantum vacuum, give rise to a possible condensation of information into quantum fields.
公開日:2021-11-24
翻訳日:2023-03-23 06:31:47
# 新型コロナウイルスパンデミック時の体験学習フレームワークに基づく遠隔実験の開発と提供

Developing and delivering a remote experiment based on the experiential learning framework during COVID-19 pandemic ( http://arxiv.org/abs/2107.02777v1 )

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W. D. Kularatne, Lasanthika H. Dissawa, T.M.S.S.K. Ekanayake, Janaka B. Ekanayake(参考訳) 工学の分野に通う学生は概念概念の理解を得るだけでなく、プロセッサや態度も得るべきである。 学生にとって認識可能な学習環境は,教室環境と実験室環境の2つである。 新型コロナウイルス(COVID-19)のパンデミックにより、両方の環境がオンライン環境に融合し、学生のプロセス開発や特徴的な態度に影響を与える。 本稿では,オンライン環境を通じてプロセスを計画,提供するための経験的学習に基づく理論的枠組みを提案する。 パワーファクタ補正実験に基づくケーススタディを行った。 3時間続く従来の実験は、ラボ前活動、シミュレーション演習、powerpointプレゼンテーション、遠隔実験室活動、経験的学習アプローチに基づく最終報告など、より小さなタスクに分割された。 オンライン・フレンドリーな経験的学習手法を用いて, 生徒の学習過程の反映を得るために, クローズドでオープンな質問を行った。 このアプローチを好んだ学生の大多数は、新型コロナウイルス(covid-19)の状況で新しい方法で実験を行う機会を提供したことで称賛された。

The students following Engineering disciplines should not only acquire the conceptual understanding of the concepts but also the processors and attitudes. There are two recognizable learning environments for students, namely, classroom environment and laboratory environment. With the COVID-19 pandemic, both environments merged to online environments, impacting students' development of processes and characteristic attitudes. This paper introduces a theoretical framework based on experiential learning to plan and deliver processes through an online environment. A case study based on the power factor correction experiment was presented. The traditional experiment that runs for 3 hours was broken into smaller tasks such as a pre-lab activity, a simulation exercise, a PowerPoint presentation, a remote laboratory activity, and a final report based on the experiential learning approach. A questionnaire that carries close and open-ended questions were administered to obtain students' reflections about developing the processes through an online-friendly experiential learning approach. The majority of the students like the approach followed and praise for providing them with an opportunity to perform the experiment in a novel way during the COVID-19 situation.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:31:30
# ノイズプローブによる量子照明:非ガウスの条件的利点

Quantum illumination with noisy probes: Conditional advantages of non-Gaussianity ( http://arxiv.org/abs/2107.02774v1 )

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Rivu Gupta, Saptarshi Roy, Tamoghna Das, Aditi Sen De(参考訳) 2モード圧縮真空状態のような絡み合った状態は、熱背景に沈み込んだ弱反射ターゲットを検出する方法である照明プロトコルにおいて量子的に有利であることが知られている。 非ガウス光子付加および減算状態は、ノイズの有無の両方において単発量子照明のプローブとして用いる。 コヒーレント状態と等しい信号強度を持つ非ガウシアン状態との差に基づいて、光子を1つのモード(から)または(から)両方のモードに付加(減算)した場合に、非ガウシアン状態の性能を分類する。 本手法により得られたガウス状態と非ガウス状態の階層構造を強調する。 興味深いことに、このような階層構造はチャーンオフ境界のみを用いて比較を行う場合に異なる。 全分析は、欠陥のあるツインビーム発生装置、不完全光子付加または減光装置、およびノイズの多い非ガウスプローブ状態の存在下で行われる。

Entangled states like two-mode squeezed vacuum states are known to give quantum advantage in the illumination protocol, a method to detect a weakly reflecting target submerged in a thermal background. We use non-Gaussian photon-added and subtracted states as probes for the single-shot quantum illumination both in the presence and absence of noise. Based on the difference between the Chernoff bounds obtained with the coherent state and the non-Gaussian state having equal signal strengths, whose positive values are referred to as a quantum advantage in illumination, we classify the performance of non-Gaussian states, when photons are added (subtracted) in (from) a single mode or in (from) both the modes. We highlight the hierarchy among Gaussian and non-Gaussian states obtained via this method, which is compatible with correlations per unit signal strength. Interestingly, such hierarchy is different when comparisons are made only using the Chernoff bounds. The entire analysis is performed in presence of different noisy apparatus like faulty twin-beam generator, imperfect photon addition or subtraction as well as with noisy non-Gaussian probe states.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:31:10
# 香港・ウー・マンデル干渉における時空間相関の高速イメージング

High-speed imaging of spatiotemporal correlations in Hong-Ou-Mandel interference ( http://arxiv.org/abs/2107.02740v3 )

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Xiaoqin Gao, Yingwen Zhang, Alessio D'Errico, Khabat Heshami, Ebrahim Karimi(参考訳) ホン・ウー・マンデル干渉効果は、多くの量子技術の中心にあり、その性能は、測定し、利用できるアンタングルモードの数が増えることで著しく向上する。 自発的パラメトリックダウン変換によって生成される光子対は、時間、エネルギー、運動量などの光子が持つ様々な自由度(dof)において、膨大な数のモードに絡み合っていることが知られている。 検出技術や技術に限界があるため、一度に1つのdofだけを効果的に測定することができ、結果として多くの電位が失われる。 本稿では,2光子干渉の高速計測とキャラクタリゼーションを,時間タグカメラの助けを借りて実験的に実証した。 {データ取得時間はわずか数秒で、2光子干渉と、最大$\sim2\times10^3$空間モードで$\sim64\%$の合体可視性を観察する。 これらの結果は、時空間DOFの高次元性を2光子干渉、特に量子センシングと通信に利用するための実用的な経路を開く。

The Hong-Ou-Mandel interference effect lies at the heart of many emerging quantum technologies whose performance can be significantly enhanced with increasing numbers of entangled modes one could measure and thus utilize. Photon pairs generated through the process of spontaneous parametric down conversion are known to be entangled in a vast number of modes in the various degrees of freedom (DOF) the photons possess such as time, energy, and momentum, etc. Due to limitations in detection technology and techniques, often only one such DOFs can be effectively measured at a time, resulting in much lost potential. Here, we experimentally demonstrate, with the aid of a time tagging camera, high speed measurement and characterization of two-photon interference. {With a data acquisition time of only a few seconds, we observe a bi-photon interference and coalescence visibility of $\sim64\%$ with potentially up to $\sim2\times10^3$ spatial modes}. These results open up a route for practical applications of using the high dimensionality of spatiotemporal DOF in two-photon interference, and in particular, for quantum sensing and communication.
公開日:2022-04-29
翻訳日:2023-03-23 06:30:52
# テンソルコアを用いた量子分子動力学シミュレーション

Quantum-based Molecular Dynamics Simulations Using Tensor Cores ( http://arxiv.org/abs/2107.02737v2 )

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Joshua Finkelstein, Justin S. Smith, Susan M. Mniszewski, Kipton Barros, Christian F. A. Negre, Emanuel H. Rubensson, Anders M. N. Niklasson(参考訳) テンソルコアとテンソル処理ユニットは、人工知能アプリケーションにおけるディープニューラルネットワーク計算に特化したハードウェアアクセラレーションの新たな形態を表している。 テンソルコアは並外れた計算速度とエネルギー効率を提供するが、低精度浮動小数点演算のみを使用してテンソル収縮(行列行列乗算)のために設計された。 それにもかかわらず、量子ベースのボルン・オッペンハイマー分子動力学において、高精度な電子構造最適化と保守的な力評価を必要とする問題に対して、テンソルコアが高効率で適用可能であることを示す。 原子間力は、一般化されたディープニューラルネットワークから得られる電子構造からオンザフライで計算され、計算構造は、テンソルコアの例外的な処理パワーを自然に活用し、単一のNvidia A100 GPUのテンソルコア上で100Tflopsを超える高い性能を実現する。 低精度テンソルコア浮動小数点演算による数値的ノイズ条件により、近似的な電荷緩和と精度に制限された力評価を用いても、計算効率と長期安定性を組み合わせたラグランジアンボルン・オッペンハイマー分子動力学の枠組みを用いて安定な分子動力学軌道を生成する。 正規アンサンブルシミュレーションスキームも提示され、計算された力の付加的な数値ノイズをランゲヴィン様の力学に吸収する。

Tensor cores, along with tensor processing units, represent a new form of hardware acceleration specifically designed for deep neural network calculations in artificial intelligence applications. Tensor cores provide extraordinary computational speed and energy efficiency, but with the caveat that they were designed for tensor contractions (matrix-matrix multiplications) using only low-precision floating point operations. In spite of this, we demonstrate how tensor cores can be applied with high efficiency to the challenging and numerically sensitive problem of quantum-based Born-Oppenheimer molecular dynamics, which requires highly accurate electronic structure optimizations and conservative force evaluations. The interatomic forces are calculated on-the-fly from an electronic structure that is obtained from a generalized deep neural network, where the computational structure naturally takes advantage of the exceptional processing power of the tensor cores and allows for high performance in excess of 100 Tflops on the tensor cores of a single Nvidia A100 GPU. Stable molecular dynamics trajectories are generated using the framework of extended Lagrangian Born-Oppenheimer molecular dynamics, which combines computational efficiency with long-term stability, even when using approximate charge relaxations and force evaluations that are limited in accuracy by the numerically noisy conditions caused by the low precision tensor core floating-point operations. A canonical ensemble simulation scheme is also presented, where the additional numerical noise in the calculated forces is absorbed into a Langevin-like dynamics.
公開日:2021-09-10
翻訳日:2023-03-23 06:30:33
# 認識論的に制限された古典的予測の集合としての量子予測

A quantum prediction as a collection of epistemically restricted classical predictions ( http://arxiv.org/abs/2107.02728v5 )

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William F. Braasch Jr. and William K. Wootters(参考訳) スペクケンスは離散位相空間に基づく離散系の認識論的に制限された古典理論を導入した。 この理論は多くの量子的性質を示すが、非文脈的であるため量子論を完全に模倣することはできない。 本稿では、ある種類の量子系に対して、実験の量子的記述が古典的な記述に分解され、認識的に制限されるが、スペケンスの研究とは別の意味を持つことを示す。 実験の各側面 -- 準備、変換、測定 -- に対して、認識論的制限は、想像された古典的観測者が使う確率分布の形を制限する。 また、古典的記述の集まり全体が満たさなければならないグローバルな制約もある。 各古典的記述は実験の結果に関する独自の予測を生成する。 予測された量子確率の「非ランダム部分」は、古典的に予測された確率の非ランダム部分の総和によって得られる。 非ランダム部分(nonrandom part)”とは、完全なランダム性からの逸脱、つまり、完全な混合状態を測定するときに期待するものを意味する。

Spekkens has introduced an epistemically restricted classical theory of discrete systems, based on discrete phase space. The theory manifests a number of quantum-like properties but cannot fully imitate quantum theory because it is noncontextual. In this paper we show how, for a certain class of quantum systems, the quantum description of an experiment can be decomposed into classical descriptions that are epistemically restricted, though in a different sense than in Spekkens' work. For each aspect of the experiment -- the preparation, the transformations, and the measurement -- the epistemic restriction limits the form of the probability distribution an imagined classical observer may use. There are also global constraints that the whole collection of classical descriptions must satisfy. Each classical description generates its own prediction regarding the outcome of the experiment. One recovers the quantum prediction via a simple but highly nonclassical rule: the "nonrandom part" of the predicted quantum probabilities is obtained by summing the nonrandom parts of the classically predicted probabilities. By "nonrandom part" we mean the deviation from complete randomness, that is, from what one would expect upon measuring the fully mixed state.
公開日:2022-02-16
翻訳日:2023-03-23 06:30:07
# ROPUST:フォトニックプロセッサと合成勾配による微細調整によるロバスト性向上

ROPUST: Improving Robustness through Fine-tuning with Photonic Processors and Synthetic Gradients ( http://arxiv.org/abs/2108.04217v1 )

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Alessandro Cappelli, Julien Launay, Laurent Meunier, Ruben Ohana and Iacopo Poli(参考訳) 敵の攻撃に対するロバスト性は、通常、プロジェクテッド・グラディエント・Descent を用いた高価な敵の訓練によって得られる。 ROPUSTは、頑健な事前学習モデルを活用し、その頑健さをさらに高め、自然精度を犠牲にすることなく、極めてシンプルで効率的な手法である。 本手法は光処理ユニット(OPU)、フォトニックコプロセッサ、および合成勾配学習スキームであるダイレクトフィードバックアライメント(Direct Feedback Alignment)を用いて行う微調整ステップに頼っている。 我々は,ロバストベンチの4つの攻撃に対して,9つの異なるモデルを用いて実験を行った。 防御の単一成分についてアブレーション研究を行い,パラメータの難読化と代替訓練法から頑健性が生ずることを示した。 また,我々の防御に対する攻撃者の脅威レベルを高めるために特別に設計されたフェーズ検索攻撃も導入する。 ROPUSTは,最先端の位相探索技術でも有効であることを示す。

Robustness to adversarial attacks is typically obtained through expensive adversarial training with Projected Gradient Descent. Here we introduce ROPUST, a remarkably simple and efficient method to leverage robust pre-trained models and further increase their robustness, at no cost in natural accuracy. Our technique relies on the use of an Optical Processing Unit (OPU), a photonic co-processor, and a fine-tuning step performed with Direct Feedback Alignment, a synthetic gradient training scheme. We test our method on nine different models against four attacks in RobustBench, consistently improving over state-of-the-art performance. We perform an ablation study on the single components of our defense, showing that robustness arises from parameter obfuscation and the alternative training method. We also introduce phase retrieval attacks, specifically designed to increase the threat level of attackers against our own defense. We show that even with state-of-the-art phase retrieval techniques, ROPUST remains an effective defense.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:23:11
# $^{87}$Rbボースアインシュタイン凝縮体の光化学反応における構成量子干渉

Constructive Quantum Interference in a Photo-Chemical Reaction of $^{87}$Rb Bose Einstein Condensate ( http://arxiv.org/abs/2107.05441v1 )

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Sumit Suresh Kale, Yong P. Chen and Sabre Kais(参考訳) 複数の経路が共存して同じ結果に至ると干渉が発生する。 blasing氏と同僚の[prl 121(7):073202]による最近の研究では、反応スピン状態が複数の素スピン状態のコヒーレント重ね合わせで合成された時に、反応経路間の破壊的干渉を生じさせるラマンの服を着たスピン軌道の光結合反応が$^{87}$rb bose einstein condensateを結合させることが示されている。 本稿では,構成的量子干渉に繋がる反応スキームに関する理論的研究について述べる。 これは反応中の反応性散乱チャネルを変更することによって達成される。 コヒーレント制御の起源は波動関数のスピン部分に由来するため、重ね合わせ状態を達成するために高周波カップリングを用いるのに十分である。 以上の結果から, 干渉は光化学反応のコヒーレント制御の資源として利用できることがわかった。 アプローチは一般的であり、超低温状態における化学反応の幅広いスペクトルを研究するために用いられる。

Interferences emerge when multiple pathways coexist together leading towards the same result. A Recent study by Blasing and coworkers [PRL 121(7):073202] showed that in a photo-association reaction of Raman dressed spin orbit coupled $^{87}$Rb Bose Einstein Condensate when the reactant spin state is prepared in a coherent superposition of multiple bare spin states it leads to a destructive interference between reaction pathways. Here we report a theoretical study for a reaction scheme which leads to constructive quantum interference. This is achieved by changing the reactive scattering channel in the reaction. As the origin of coherent control comes from the spin part of the wavefunction it is sufficient to use radio frequency coupling to achieve the superposition state. Our results show that interferences can be used as a resource for the coherent control of photo-chemical reactions. The approach is general and can be employed to study a wide spectra of chemical reactions in the ultracold regime.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:22:54
# QEDの有限次元モデルの化学修飾について

About chemical modifications of finite dimensional models of QED ( http://arxiv.org/abs/2107.04673v1 )

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Vitaliy Afanasyev, Zheng Keli, Alexei Kulagin, Hui-hui Miao, Yuri Ozhigov, Wanshun Lee, Nadezda Victorova(参考訳) 有限次元QEDモデルの修正の提案は、光学キャビティに置かれた量子ドット上の人工原子や分子の観点から化学反応を解釈するために提案される。 光子と原子の移動はキャビティ間で可能である。 量子干渉によりキャビティ間の原子の運動が不可能である二原子系の超暗状態を記述する。 2つの準位原子とラムダスペクトルを持つ3つの準位原子を持つ化学過程は、単一の量子マスター方程式をキャビティからの光子漏れとそれへの流入のリンドブラッド作用素で解き、スキーマ的にモデル化される。 例えば、精度を推定した多レベルtavis-cummings-hubbardモデルを用いて、原子から原子への電子の遷移を光学的に解釈する例がある。 多原子化学反応は正確なモデリングには複雑すぎる。 我々の粗い解釈法は、例えば暗黒状態や超暗黒状態のような試薬の定常状態の形式のような長期的な結果を得るのに役立ちます。

Suggestion of modifications of finite-dimensional QED models are proposed for interpreting chemical reactions in terms of artificial atoms and molecules on quantum dots placed in optical cavities. Moving both photons and atoms is possible between the cavities. Super dark states of diatomic systems are described, in which the motion of atoms between cavities is impossible due quantum interference. Chemical processes with two level atoms and three level atoms with lambda spectrum are schematically modeled by solving the single quantum master equation with the Lindblad operators of photon leakage from the cavity and influx into it; association and dissociation reactions then differ only in the initial states. An example is given of the optical interpretation of the transition of an electron from atom to atom in terms of the multilevel Tavis-Cummings-Hubbard model with an estimate of the accuracy. Polyatomic chemical reactions are too complex for accurate modeling. Our method of rough interpretation helps to obtain their long-term results, for example, the form of stationary states of reagents, such as dark and super dark states.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:22:32
# PAC:近代都市における交通プラットフォームの流通調整のための部分領域クラスタ

PAC: Partial Area Cluster for adjusting the distribution of transportation platforms in modern cities ( http://arxiv.org/abs/2107.04124v2 )

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Jiaming Pei, Jinhai Li, Jiyuan Xu, Q.Dat Luong(参考訳) 現代の都市では、公共交通機関の利用率が公共交通の効率性に重きを置いている。 しかし、輸送プラットフォームの不合理な分布は、低利用率をもたらす。 本稿では,バスと地下鉄のプラットフォーム分布を調査・評価し,元の分布の変更と更新による利用率向上を図るため,PAC (Partial Area Cluster) と呼ばれる手法を提案した。 この手法は機械学習の分野におけるK-meansアルゴリズムに基づいている。 PACは適切なバスプラットフォームをセンターとして検索し、元のプラットフォームを地下鉄に変更した。 経験から、公共交通機関の利用が20%増加したことが示されている。 この研究では、類似のクラスタアルゴリズムを使用して、新しいが実用的な用語でトランスポートネットワークの問題を解決する。 その結果,PACは輸送システム構築プロセスにおいて広く使用されることが期待される。

In the modern city, the utilization rate of public transportation attached importance to the efficiency of public traffic. However, the unreasonable distribution of transportation platforms results in a low utilization rate. In this paper, we researched and evaluated the distribution of platforms -- bus and subway -- and proposed a method, called "partial area cluster" (PAC), to improve the utilization by changing and renewing the original distribution. The novel method was based on the K-means algorithm in the field of machine learning. PAC worked to search the suitable bus platforms as the center and modified the original one to the subway. Experience has shown that the use of public transport resources has increased by 20%. The study uses a similar cluster algorithm to solve transport networks' problems in a novel but practical term. As a result, the PAC is expected to be used extensively in the transportation system construction process.
公開日:2021-07-29
翻訳日:2023-03-23 06:22:13
# CP-(in)分割チャネルの量子速度制限時間に対する量子メモリの効果

The effect of quantum memory on quantum speed limit time for CP-(in)divisible channels ( http://arxiv.org/abs/2107.03306v2 )

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K.G Paulson, Subhashish Banerjee, R. Srikanth(参考訳) 量子速度制限時間 (quantum speed limit time) は、量子系が2つの状態の間で進化するために必要な最小時間に関する制限を定義する。 非単体進化下での量子系の速度制限時間に関する有界性の研究は、量子(非)マルコビアン性への興味深い関係を明らかにするため、基本的な関心である。 本稿では,cp分割可能な量子力学マップの時間的自己相似性の偏差として量子メモリの関数としての量子速度制限時間の特徴について論じ,量子メモリの存在が量子進化を加速することを示す。 これはcp非分割性基準で示されるよりも広い種類のチャネルに対して量子メモリの存在下での量子進化の速度の向上を示す。

Quantum speed limit time defines the limit on the minimum time required for a quantum system to evolve between two states. Investigation of bounds on speed limit time of quantum system under non-unitary evolution is of fundamental interest, as it reveals interesting connections to quantum (non-)Markovianity. Here, we discuss the characteristics of quantum speed limit time as a function of quantum memory, quantified as the deviation from temporal self-similarity of quantum dynamical maps for CP-divisible as well as indivisible maps, and show that the presence of quantum memory can speed up quantum evolution. This demonstrates the enhancement of the speed of quantum evolution in the presence of quantum memory for a wider class of channels than indicated by the CP-indivisibility criterion.
公開日:2022-10-03
翻訳日:2023-03-23 06:22:01
# サイバーセキュリティインシデント対応におけるセンスメイキング : 組織・技術・個人の交流

Sensemaking in Cybersecurity Incident Response: The Interplay of Organizations, Technology and Individuals ( http://arxiv.org/abs/2107.02941v1 )

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Ritu Lakshmi, Humza Naseer, Sean Maynard, Atif Ahmad(参考訳) センスメイキングは組織において重要な活動です。 個人が集団行動を促進するための基盤を形成する出来事に意味を割り当てる過程である。 しかし, 感覚形成過程における組織, 技術, 個人の役割とその相互作用は十分に解明されていない。 この新たな研究は、サイバーセキュリティインシデント対応のプロセスにおいて、組織、技術、個人間の相互作用がどのように意味を成すかを説明することによって、このギャップに対処しようとしている。 我々は,インシデント対応の実施,選択,保持活動(センスメイキング活動)を促進するために,組織,技術,個人がさまざまな方法で相互作用する重要な要素であることを提案する。 我々は、インシデント応答におけるセンスメイキングは、この相互作用の結果であると主張する。 このインタラクションにより、組織は包括的な方法でサイバーセキュリティインシデントに応答できる。

Sensemaking is a critical activity in organizations. It is a process through which individuals ascribe meanings to events which forms the basis to facilitate collective action. However, the role of organizations, technology and individuals and their interaction in the process of sensemaking has not been sufficiently explored. This novel study seeks to address this gap by proposing a framework that explains how the interplay among organizations, technology and individuals enables sensemaking in the process of cybersecurity incident response. We propose that Organizations, Technology, and Individuals are the key components that interact in various ways to facilitate enactment, selection and retention activities (Sensemaking activities) in Incident Response. We argue that sensemaking in Incident Response is the outcome of this interaction. This interaction allows organizations to respond to cybersecurity incidents in a comprehensive manner.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:21:46
# 量子状態駆動:測定とパルス

Quantum state driving: measurements versus pulses ( http://arxiv.org/abs/2107.02874v2 )

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Yi-Hsiang Chen(参考訳) 量子ゼノ効果は、頻繁な測定によって系を固有状態に固定することで知られる。 頻繁なユニタリパルスを適用すると、システムに固有空間をピン留めできるゼノ部分空間が引き起こされることも知られている。 どちらのアプローチも、ある部分空間におけるシステムを維持する手段として研究されている。 2つの概念を拡張して、測定/パルスを動的にすることで、測定軸/パルスベースの動きで状態が動けるようにする。 測定/脈動が徐々に変化している場合,システムは動的固有ベイジに留まることを示す。 成功確率を保証する適用率の明示的なバウンダリが提供される。 さらに、どちらの方法も本質的に非マルコフノイズに対して耐性がある。 最後に, この2つの手法の類似性と相違について考察し, 断熱量子計算との関連について述べる。

The quantum Zeno effect is well-known for fixing a system to an eigenstate by frequent measurements. It is also known that applying frequent unitary pulses induces a Zeno subspace that can also pin the system to an eigenspace. Both approaches have been studied as means to maintain a system in a certain subspace. Extending the two concepts, we consider making the measurements/pulses dynamical so that the state can move with the motion of the measurement axis/pulse basis. We show that the system stays in the dynamical eigenbasis when the measurements/pulses are slowly changing. Explicit bounds for the apply rate that guarantees a success probability are provided. In addition, both methods are inherently resilient against non-Markovian noise. Finally, we discuss the similarities and differences between the two methods and their connection to adiabatic quantum computation.
公開日:2021-09-09
翻訳日:2023-03-23 06:21:32
# ヤストロウ波動関数の親ハミルトニアン

Parent Hamiltonians of Jastrow Wavefunctions ( http://arxiv.org/abs/2107.02869v3 )

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Mathieu Beau and Adolfo del Campo(参考訳) ジャストロウ形式の基底状態を持つ多体量子ハミルトンの完全族は、任意の空間次元における対関数の対積を含む。 親ハミルトニアンは一般に2体対ポテンシャルと3体ポテンシャルを含む。 したがって、3次元の場合のカロジェロ・マルキオロ構成を任意の空間次元に一般化する。 結果として生じるモデルの族は、外部ポテンシャルを表す一体項を含むように拡張され、さらに長距離の2体相互作用が生じる。 この枠組みを用いて,calogero-sutherlandモデルやcalogero-moserモデルなどのよく知られたシステムの任意の空間次元への一般化を提供する。 また、McGuire多体量子明るいソリトン解を高次元に一般化し、多項式、ガウス関数、指数関数、双曲関数などを含む基底状態を考える新しいモデルも導入する。 最後に、ペア関数をリバースエンジニアリングして、ペアワイズ湯川ポテンシャルのような所定のポテンシャルを持つモデルを構築し、三体相互作用にのみ依存するモデルを識別する方法を示す。

We find the complete family of many-body quantum Hamiltonians with ground-state of Jastrow form involving the pairwise product of a pair function in an arbitrary spatial dimension. The parent Hamiltonian generally includes a two-body pairwise potential as well as a three-body potential. We thus generalize the Calogero-Marchioro construction for the three-dimensional case to arbitrary spatial dimensions. The resulting family of models is further extended to include a one-body term representing an external potential, which gives rise to an additional long-range two-body interaction. Using this framework, we provide the generalization to an arbitrary spatial dimension of well-known systems such as the Calogero-Sutherland and Calogero-Moser models. We also introduce novel models, generalizing the McGuire many-body quantum bright soliton solution to higher dimensions and considering ground-states which involve e.g., polynomial, Gaussian, exponential, and hyperbolic pair functions. Finally, we show how the pair function can be reverse-engineered to construct models with a given potential, such as a pair-wise Yukawa potential, and to identify models governed exclusively by three-body interactions.
公開日:2021-09-26
翻訳日:2023-03-23 06:21:20
# 理論計算機科学におけるビジョン:TCS Visioning Workshop 2020参加報告

Visions in Theoretical Computer Science: A Report on the TCS Visioning Workshop 2020 ( http://arxiv.org/abs/2107.02846v1 )

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Shuchi Chawla, Jelani Nelson, Chris Umans, and David Woodruff(参考訳) 理論計算機科学(英: theoretical computer science、TCS)は、計算とアルゴリズムのプロセスと相互作用の数学的基礎を研究するコンピュータ科学の分野である。 この分野の仕事は数学の技術と厳密さに重きを置くことでしばしば認識される。 この分野の核心には、計算の性質に関する疑問がある。 計算可能なものは何か? 効率はどうでしょう? TCSコミュニティは10年ごとにビジョンワークショップに参加し、TCS分野における課題と最近の成果について議論する。 ワークショップと成果物は、tcsコミュニティへの反省と、興味のある投資パートナーのための原則の指導の両方を目的としています。 具体的には、ワークショップの出力は複数のナゲットで構成され、それぞれ特定の点を要約し、ホワイトペーパーの形で合成され、プロのグラフィックデザイナーによって作成されたグラフィック/スライドで図示される。 第2回TCSビジョンワークショップはSIGACT Committee for the Advancement of Theory Computer Scienceによって組織され、2020年7月20日に開催された。 カンファレンスは仮想だったにもかかわらず、76人以上の参加者が参加しており、その多くは米国出身だが、オンラインフォーマットのために参加できるヨーロッパとアジアの人たちもいた。 ワークショップ参加者は,(1)計算モデル,(2)データサイエンスの基礎,(3)暗号,(4)他の領域における理論計算機科学の3つの分野に区分した。 各グループは、下記のナゲットを生み出す一連の議論に参加した。

Theoretical computer science (TCS) is a subdiscipline of computer science that studies the mathematical foundations of computational and algorithmic processes and interactions. Work in this field is often recognized by its emphasis on mathematical technique and rigor. At the heart of the field are questions surrounding the nature of computation: What does it mean to compute? What is computable? And how efficiently? Every ten years or so the TCS community attends visioning workshops to discuss the challenges and recent accomplishments in the TCS field. The workshops and the outputs they produce are meant both as a reflection for the TCS community and as guiding principles for interested investment partners. Concretely, the workshop output consists of a number of nuggets, each summarizing a particular point, that are synthesized in the form of a white paper and illustrated with graphics/slides produced by a professional graphic designer. The second TCS Visioning Workshop was organized by the SIGACT Committee for the Advancement of Theoretical Computer Science and took place during the week of July 20, 2020. Despite the conference being virtual, there were over 76 participants, mostly from the United States, but also a few from Europe and Asia who were able to attend due to the online format. Workshop participants were divided into categories as reflected in the sections of this report: (1) models of computation; (2) foundations of data science; (3) cryptography; and (4) using theoretical computer science for other domains. Each group participated in a series of discussions that produced the nuggets below.
公開日:2021-07-06
翻訳日:2023-03-23 06:21:02
# フィードバックによる相転移の普遍性クラス調整:散逸を超えた開量子系

Tuning the universality class of phase transitions by feedback: Open quantum systems beyond dissipation ( http://arxiv.org/abs/2107.02833v2 )

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D. A. Ivanov, T. Yu. Ivanova, S. F. Caballero-Benitez, I. B. Mekhov(参考訳) フィードバック制御のパラダイムを量子状態の制御から量子システムにおける相転移の制御へとシフトする。 フィードバックは相転移の普遍性クラスを臨界指数を変化させることでチューニングできることを示す。 D. A. Ivanov, T. Yu. Ivanova, S. F. Caballero-Benitez, I. B. Mekhov, Phys. Rev. Lett. 124, 010603 (2020)] のディックモデルのこれまでの処理を拡張し、断熱的に除去された光場の近似を超えた。 スピンアンサンブルの線形化モデルと非線形モデルの両方を考える。 非自明な形状のフィードバックによる臨界点近傍の量子揺らぎのチューナビリティは、単一の量子軌道におけるゆらぎスペクトルと系の挙動を考慮して説明される。

We shift the paradigm of feedback control from the control of quantum states to the control of phase transitions in quantum systems. We show that feedback allows tuning the universality class of phase transitions via modifying its critical exponent. We expand our previous treatment [D. A. Ivanov, T. Yu. Ivanova, S. F. Caballero-Benitez, and I. B. Mekhov, Phys. Rev. Lett. 124, 010603 (2020)] of Dicke model and go beyond the approximation of adiabatically eliminated light field. Both linearized and nonlinear models of spin ensembles are considered. The tunability of quantum fluctuations near the critical point by the feedbacks of nontrivial shapes is explained by considering the fluctuation spectra and the system behavior at single quantum trajectories.
公開日:2021-09-18
翻訳日:2023-03-23 06:20:36
# 成長と進化する3Dプリント

Growing and Evolving 3D Prints ( http://arxiv.org/abs/2107.02976v1 )

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Jon McCormack and Camilo Cruz Gambardella(参考訳) デザイン(特に物理オブジェクト)は、実用的な問題を解決する創造的な行為として理解することができる。 本稿では,生物にインスパイアされた発達モデルについて,生成型フォームフィングシステムの基礎として述べる。 2次元環境における細胞間の局所的な相互作用を用いて、各ステップでシステムの状態をキャプチャすると、複雑な3次元(3D)形式がシステムによって生成される。 従来のシステムとは異なり,本手法では3Dプリント可能なオブジェクトを直接生成することができ,中間変換や手動操作を不要にすることで,3Dプリント可能な形状を確実にすることができる。 本研究では,3次元印刷性および審美的複雑さを最適化するための適合度尺度を考案し,共分散行列適応進化戦略アルゴリズム(cma-es)を用いて,審美的に興味深く,物理的に印刷可能な3次元形状を求める。 異なる構造的一貫性のレベルで3dプリントオブジェクトを進化させ、3dプリントすることでシステムの能力を調べ、当社のジェネレーティブシステムの設計空間を探索するために提示された適合度測定の質を評価する。 まず審美的な複雑さのために進化し、それから形式が「印刷可能」になるまで構造的一貫性のために進化することで、最良の結果が得られることが分かりました。

Design - especially of physical objects - can be understood as creative acts solving practical problems. In this paper we describe a biologically-inspired developmental model as the basis of a generative form-finding system. Using local interactions between cells in a two-dimensional environment, then capturing the state of the system at every time step, complex three-dimensional (3D) forms can be generated by the system. Unlike previous systems, our method is capable of directly producing 3D printable objects, eliminating intermediate transformations and manual manipulation often necessary to ensure the 3D form is printable. We devise fitness measures for optimising 3D printability and aesthetic complexity and use a Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategies algorithm (CMA-ES) to find 3D forms that are both aesthetically interesting and physically printable using fused deposition modelling printing techniques. We investigate the system's capabilities by evolving and 3D printing objects at different levels of structural consistency, and assess the quality of the fitness measures presented to explore the design space of our generative system. We find that by evolving first for aesthetic complexity, then evolving for structural consistency until the form is 'just printable', gives the best results.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:38:07
# 透明性と倫理による信頼獲得に向けて(プレプリント)

Towards Achieving Trust Through Transparency and Ethics (Pre-Print) ( http://arxiv.org/abs/2107.02959v1 )

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David Kwan, Luiz Marcio Cysneiros, Julio Cesar Sampaio do Prado Leite(参考訳) 私たちが使っている製品にユビキタスなソフトウェアの存在と、これらの製品に人工知能が組み合わさって、消費者信頼の必要性が高まっている。 消費者はしばしば製品への信頼を失い、信頼の欠如は背後にある会社に伝播する。 これは、自動運転車や臨床支援システムのようなミッションクリティカルなシステムではさらにそうである。 本稿では,信頼,倫理,透明性に関する知識を導き出すための基礎理論の原則に従う。 我々はこれらの特性をNFR(Non-Functional Requirements)としてアプローチし、社会責任ソフトウェアの構築を補助するカタログの構築を目指している。 私たちが使ったコーパスは、企業社会責任に関する文学のコレクションとして、ビジネス倫理に重点を置いて構築されました。 私たちの課題は、主に企業社会責任の観点から、組織や組織がいかに信頼を達成できるかという社会的視点の知識をエンコードする方法です。 本稿では,NFRの立場から,Softgoal Interdependency Graph (SIG) として表される非Functional Requirementとして,Trustのカタログによって結果が提示される。 SIG言語は、ソフトウェアエンジニアがソフトウェア製品の信頼を改善するための代替案を理解するのに役立つ。

The ubiquitous presence of software in the products we use, together with Artificial Intelligence in these products, has led to an increasing need for consumer trust. Consumers often lose faith in products, and the lack of Trust propagates to the companies behind them. This is even more so in mission-critical systems such as autonomous vehicles and clinical support systems. This paper follows grounded theory principles to elicit knowledge related to Trust, Ethics, and Transparency. We approach these qualities as Non-Functional Requirements (NFRs), aiming to build catalogs to subsidize the construction of Socially Responsible Software. The corpus we have used was built on a selected collection of literature on Corporate Social Responsibility, with an emphasis on Business Ethics. Our challenge is how to encode the social perspective knowledge, mainly through the view of Corporate Social Responsibility, on how organizations or institutions achieve trustworthiness. Since our ground perspective is that of NFRs, results are presented by a catalogue of Trust as a Non-Functional Requirement, represented as a Softgoal Interdependency Graph (SIG). The SIG language helps software engineers in understanding alternatives they have to improve Trust in software products.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:37:45
# 半導体量子ドットにおけるホールCr$^{+}$ナノ磁性体

A hole-Cr$^{+}$ nano-magnet in a semiconductor quantum dot ( http://arxiv.org/abs/2107.03192v2 )

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V. Tiwari, M. Arino, S. Gupta, M. Morita, T. Inoue, D. Caliste, P. Pochet, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes(参考訳) イオン化アクセプタCr$^+$のスピンに基づく新しい希薄磁性半導体システムについて検討した。 負電荷のCr$^+$イオンは、II-VI半導体中のCrの励起状態であり、CdTe量子ドット(QD)に挿入すると安定であることを示す。 Cr$^+$はQDの重孔を引き寄せ、安定な穴-Cr$^+$複合体を形成する。 この系の光学的プローブは、重孔とcr$^+$スピンの間の強磁性カップリングを示す。 低温では、平行スピンを持つホールCr$^+$系の基底状態における熱化は、原子の3$d$シェル上の過剰電子の光学的再結合を防ぐ。 ホール-Cr$^+$交換相互作用によって形成されるナノマグネットのダイナミクスについて検討した。 M$_z$=$\pm$4の強磁性基底状態は共振光ポンピングにより制御でき、T=4.2Kで20$\mu$sの範囲でのスピン緩和時間が得られる。

We study a new diluted magnetic semiconductor system based on the spin of the ionized acceptor Cr$^+$. We show that the negatively charged Cr$^+$ ion, an excited state of the Cr in II-VI semiconductor, can be stable when inserted in a CdTe quantum dot (QD). The Cr$^+$ attracts a heavy-hole in the QD and form a stable hole-Cr$^+$ complex. Optical probing of this system reveals a ferromagnetic coupling between heavy-holes and Cr$^+$ spins. At low temperature, the thermalization on the ground state of the hole-Cr$^+$ system with parallel spins prevents the optical recombination of the excess electron on the 3$d$ shell of the atom. We study the dynamics of the nano-magnet formed by the hole-Cr$^+$ exchange interaction. The ferromagnetic ground states with M$_z$=$\pm$4 can be controlled by resonant optical pumping and a spin relaxation time in the 20 $\mu$s range is obtained at T=4.2 K. This spin memory at zero magnetic field is limited by the interaction with phonons.
公開日:2021-07-28
翻訳日:2023-03-23 04:35:17
# 数学モデルの進化的発見のためのモデル非依存多目的アプローチ

Model-agnostic multi-objective approach for the evolutionary discovery of mathematical models ( http://arxiv.org/abs/2107.03146v2 )

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Alexander Hvatov, Mikhail Maslyaev, Iana S. Polonskaya, Mikhail Sarafanov, Mark Merezhnikov, Nikolay O. Nikitin(参考訳) 現代のデータサイエンスでは、予測品質が良いデータ駆動モデルのみを得るには不十分であることが多い。 それとは対照的に、どの部分がより良い結果を得るために置き換えられるかというモデルの性質を理解することがより興味深い。 このような質問は、機械学習の解釈可能性に関する質問の下に統一されている。 本稿では,複合データ駆動型モデル学習における多目的進化最適化を用いて,アルゴリズムの望ましい特性を求める。 これは、明白な目的の1つは正確さであるが、もう1つはモデルの複雑さ、堅牢性、その他多くのものとして選択できることを意味する。 本手法は, 合成モデルの多目的学習例, 微分方程式, 閉形式代数式を統一化し, 解釈可能なモデルのモデル非依存学習のための形式的アプローチを示す。

In modern data science, it is often not enough to obtain only a data-driven model with a good prediction quality. On the contrary, it is more interesting to understand the properties of the model, which parts could be replaced to obtain better results. Such questions are unified under machine learning interpretability questions, which could be considered one of the area's raising topics. In the paper, we use multi-objective evolutionary optimization for composite data-driven model learning to obtain the algorithm's desired properties. It means that whereas one of the apparent objectives is precision, the other could be chosen as the complexity of the model, robustness, and many others. The method application is shown on examples of multi-objective learning of composite models, differential equations, and closed-form algebraic expressions are unified and form approach for model-agnostic learning of the interpretable models.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 04:35:02
# 熱原子蒸気中の光の弱い局在

Weak localization of light in hot atomic vapors ( http://arxiv.org/abs/2107.03110v2 )

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N. Cherroret, M. Hemmerling, G. Labeyrie, D. Delande, J.T.M. Walraven and R. Kaiser(参考訳) 理論的には、熱水蒸気中の光の弱い局在を検出する可能性を探究し、原子の速い熱運動が多重散乱における干渉を破壊することを期待する。 この目的のために,高温を想定したコヒーレント後方散乱ピークを計算し,原子散乱器の量子レベル構造を考慮した。 熱運動によるデコヒーレンスは、大きなレーザーデチューニングや細長い形状を持つ小さな原子細胞を用いることで部分的にバランスを崩すことが判明した。 これらの条件下では, 熱蒸気中の弱い局在は実験的な検出範囲内であることが示唆された。

We theoretically explore the possibility to detect weak localization of light in a hot atomic vapor, where one usually expects the fast thermal motion of the atoms to destroy any interference in multiple scattering. To this end, we compute the coherent backscattering peak, assuming high temperature and taking into account the quantum level structure of the atomic scatterers. It is found that the decoherence due to thermal motion can be partially counterbalanced by working at large laser detuning and using small atomic cells with an elongated geometry. Under these conditions, our estimates suggest that weak localization in a hot vapor should be within reach of experimental detection.
公開日:2021-10-30
翻訳日:2023-03-23 04:34:48
# ガウス資源を用いたハイブリッド量子ビットと単一光子量子ビットの量子テレポーテーション

Quantum teleportation of hybrid qubits and single-photon qubits using Gaussian resources ( http://arxiv.org/abs/2107.03060v1 )

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Soumyakanti Bose, Hyunseok Jeong(参考訳) 本稿では,gaussian continuous-variable channelを用いた量子テレポーテーションにより,単一光子量子ビットとハイブリッド量子ビットを情報キャリアとして比較する。 本研究におけるハイブリッド量子ビットは、コヒーレント状態と単一光子の間の絡み合いの形態である。 ハイブリッド量子ビットは、ハイブリッド量子ビットのコヒーレント振幅が$\alpha\lesssim 1$であるのに対して、フォトニック量子ビットはより大きい振幅に対してより良い結果をもたらす。 我々は,光子損失の影響を解析し,光子損失によるテレポーテーション特性の劣化にもかかわらず,異なる量子ビットに対するテレポーテーションの全体的な特性が変わらず維持されていることを観察する。 我々の研究は、異なる種類の量子ビットを用いた実用的な量子情報処理の比較結果を提供する。

In this paper, we compare single-photon qubits and hybrid qubits as information carriers through quantum teleportation using a Gaussian continuous-variable channel. A hybrid qubit in our study is in the form of entanglement between a coherent state and a single photon. We find that hybrid qubits outperform photonic qubits when coherent amplitudes of the hybrid qubits are as low as $\alpha\lesssim 1$, while photonic qubits yield better results for larger amplitudes. We analyze effects of photon losses, and observe that the overall character of teleportation for different qubits remains the same although the teleportation fidelities are degraded by photon losses. Our work provides a comparative look at practical quantum information processing with different types of qubits.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:34:37
# グローバーの量子探索アルゴリズムを用いた画像中の退化画素の同定

Identification of Desired Pixels in an Image Using Grover's Quantum Search Algorithm ( http://arxiv.org/abs/2107.03053v1 )

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Basit Iqbal, Harkirat Singh(参考訳) 量子情報理論(Quantum Information Theory)は計算のスピードアップを約束し、古典的な量子コンピュータで実証される。 これは計算と直接あるいは間接的にリンクされたすべてのフィールドに革命をもたらす。 量子情報におけるグローバーアルゴリズムは、非構造化データベース検索において二次速度を与える。 ibmのような量子コンピュータのためのパブリックなオンラインリソースが利用可能になったことで、量子画像処理は、画像処理分野において量子コンピュータを利用するためのイメージとなった。 我々の研究は、グローバーのアルゴリズムを用いて2x2グレースケールの画像中の全ての暗いピクセルを見つけることである。 私たちはそれを2つの異なる方法で研究した。 最初の方法では、pythonが生成する古典的なイメージ上でgroverのアルゴリズムを実行しました。 第2の手法では、ピソン生成した2x2画像を量子画像に変換し、Groverのアルゴリズムでより暗いピクセルを探索した。 複雑性解析で見られるように、グロバーの非構造探索は O(2^{n}) を持ち、古典的スキーム O(2^{2n+2m}) では m と n は像の次元を表す。

Quantum Information Theory promises to speed up computation so is observed in real quantum computers as proved to its classical counterpart. This revolutionizes every field linked directly or indirectly with computation. Grover algorithm in quantum information gives quadratic speed up in unstructured database search. With the availability of public online resources for quantum computers like IBM, quantum image processing came into the picture for making use of quantum computers in the image processing field. Our research interest is to find all darker pixels in a 2x2 grayscale image using Grover's algorithm. We studied it in two different ways. In the first method, I ran Grover's algorithm on the python generated classical image. In the second method, I converted a python-generated 2x2 image into a quantum image and then ran Grover's algorithm to locate the darker pixels. As has been observed in complexity analysis, Grover's unstructured search has the O(2^{n}) while as for classical schemes O(2^{2n+2m}), where m and n denote the dimensions of the image.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:34:24
# 有限体K$\Gamma$モデルにおける$\alpha$-RuCl$_3$の量子液晶

Quantum liquid crystals in the finite-field K$\Gamma$ model for $\alpha$-RuCl$_3$ ( http://arxiv.org/abs/2107.03045v2 )

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Masahiko G. Yamada, Satoshi Fujimoto(参考訳) k$\gamma$モデルと呼ばれる拡張されたキタエフモデルについて、よく制御された平均場近似と最先端の完全対角化を組み合わせた摂動展開を用いて研究する。 位相図では、ネマティックな北エフスピン液体とKekul\'e 北エフスピン液体が発見された。 前者は、$\Gamma/|K|$の十分小さな値であっても、$\alpha$-RuCl$_3$で実験的に観測されたチャーン数ゼロの高磁場ネマティック状態を説明する可能性がある。 後者は$z_3$ vortexコアに majorana zeroモードを持ち、ドメイン壁の動きによって制御される可能性がある。 これにより、K$\Gamma$モデルにおける量子液晶相のトポロジカル量子計算への応用が可能となる。

We study the extended Kitaev model called the K$\Gamma$ model, using a perturbative expansion combined with a well-controlled mean-field approximation and a cutting-edge exact diagonalization. In the phase diagram, we discover a nematic Kitaev spin liquid and a Kekul\'e Kitaev spin liquid. The former potentially explains the high-field nematic state with zero Chern number experimentally observed in $\alpha$-RuCl$_3$, even for sufficiently small values of $\Gamma/|K|$. The latter has a Majorana zero mode in its $Z_3$ vortex core, which can be potentially controlled by the domain wall motion. This opens a possible application of the quantum liquid crystal phases in the K$\Gamma$ model to the topological quantum computation.
公開日:2021-11-19
翻訳日:2023-03-23 04:33:55
# プロセス最適化位相共変量子クローニング

Process-optimized phase covariant quantum cloning ( http://arxiv.org/abs/2107.03042v2 )

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Chloe Kim, Eric Chitambar(参考訳) 閉包定理の出現後、近似量子クローニング機械(QCM)は量子情報理論において最もよく研究されている分野の1つとなった。 QCMの性能を定量化するいくつかの尺度の中で、単一量子忠実度とグローバル忠実度が最も広く利用されている。 本稿では,相共変クローニング機の最適大域的忠実度を半定値計画最適化により計算し,qcmsにおける先行結果の残差を解消する。 また、直接最適化とコンポーネントワイド最適QCMの合成の両方により、クローンとトランスポジションのクローンマップの最適シミュレーションも検討する。 クローンマップでは、合成法は準最適であるが、転置法では漸近的に最適である。

After the appearance of the no-cloning theorem, approximate quantum cloning machines (QCMs) have become one of the most well-studied subject in quantum information theory. Among several measures to quantify the performance of a QCM, single-qudit fidelity and global fidelity have been most widely used. In this paper we compute the optimal global fidelity for phase-covariant cloning machines via semi-definite programming optimization, thereby completing a remaining gap in the previous results on QCMs. We also consider optimal simulations of the cloning and transpose cloning map, both by a direct optimization and by a composition of component-wise optimal QCMs. For the cloning map the composition method is sub-optimal whereas for the transpose cloning map the method is asymptotically optimal.
公開日:2021-10-07
翻訳日:2023-03-23 04:33:29
# グローバー探索アルゴリズムを用いた画像中の画素識別

Pixel identification in an image using Grover Search Algorithm ( http://arxiv.org/abs/2107.03039v1 )

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Mohd. Hussain Mir, Harkirat Singh(参考訳) 量子コンピューティングは、重ね合わせや絡み合いといった量子力学の規則によって制御される全く新しい計算方法を提供する。 これらのルールにより、可能なすべての状態を同時に計算することができます。 したがって、現在の古典的コンピュータよりも指数関数的に高い計算能力を提供する。 量子コンピューティングアルゴリズムは、量子状態重ね合わせと絡み合いから派生した量子並列コンピューティングのため、古典的なアルゴリズムとは全く異なる。 グローバーアルゴリズム(grover algorithm)は、全ての入力を同時に計算することで、未分類データベースから正しい答えを見つけるために用いられる量子アルゴリズムである。 したがって、位数 O(n) 1/2 の2次スピードアップを、位数 O(n) のスピードアップを提供する古典的アルゴリズムと比較する。 我々はGroverアルゴリズムを用いて(2x2)古典画像中の黒ピクセルを識別し、まず量子状態に変換し、次にGroverアルゴリズムを用いて最大グレースケール強度0の画素を識別した。 このテクニックは、ユーザ間のデータ暗号化、イメージセグメンテーションを提供するsteganographyのような分野に応用できる。

Quantum Computing offers an entirely new way of doing computation governed by the rules of quantum mechanics like Superposition and Entanglement. These rules allow us to do computation over all the possible states simultaneously. Hence, offering exponentially higher computation power than the present classical computers. Quantum computing algorithms are entirely different from classical algorithms due to quantum parallel computing derived from quantum state superposition and entanglement, which has natural advantages over classical image processing. Grover algorithm is a quantum-based search algorithm used to find the correct answer from an unsorted database by computing all the inputs simultaneously. Thus, giving us a quadratic speed-up of order O(n) 1/2 in comparison to the classical algorithm which offers speedup with order O(n). We used the Grover algorithm for identifying the black pixel in a (2x2) classical image by first converting it into a quantum state and then running the Grover algorithm for identifying the pixel with 0 value maximum gray-scale intensity. This technique has applications in areas like steganography offering data encryption between users, image segmentation.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:33:14
# 分子オプトメカニカルナノキャビティを用いた連続波周波数アップコンバージョン

Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity ( http://arxiv.org/abs/2107.03033v1 )

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Wen Chen, Philippe Roelli, Huatian Hu, Sachin Verlekar, Sakthi Priya Amirtharaj, Angela I. Barreda, Tobias J. Kippenberg, Miroslavna Kovylina, Ewold Verhagen, Alejandro Mart\'inez, Christophe Galland(参考訳) 周波数アップコンバージョンは電磁信号処理、解析、検出の基盤となる。 伝送、変調、または検出が技術的に簡単または効率的であるような、ある周波数領域から別の領域へエネルギーと情報を転送するために使用される。 オプトメカニカルトランスダクションはコヒーレント周波数アップコンバージョンに対する柔軟なアプローチとして登場しており、無線およびマイクロ波(kHzからGHz)から光学場への変換に成功している。 それでも、マルチTHzと中赤外信号の光学的変換は未解決の課題である。 ここでは,分子キャビティオプティメカニクスを用いて,環境条件下で可視領域へ$\sim$32~thzでサブマイクロワット連続波信号のアップコンバージョンを示す。 この装置は、少数の分子をホストするプラズモニックナノキャビティから構成される。 入射磁場は共振して分子振動を駆動し、可視型ポンプレーザーに光力学的変調をインプリントし、ストークスおよびアンチストークアップコンバートされたラマンサイドバンドにサブ自然線幅を付与し、コヒーレントなプロセスを示す。 ナノキャビティは、自由空間と比較して分子単位のアップコンバージョン効率を13桁向上させ、測定されたフォノン-光子内部変換効率はポンプ出力1ミリワットあたり10〜4ドル以上である。 分子振動子をプラズモニックナノキャビティに結合させ, 化学工学とナノファブリケーションを用いて振動特性と電磁特性を自由に調整できる, 光学周波数変換のためのフレキシブルパラダイムを構築した。

Frequency upconversion is a cornerstone of electromagnetic signal processing, analysis and detection. It is used to transfer energy and information from one frequency domain to another where transmission, modulation or detection is technically easier or more efficient. Optomechanical transduction is emerging as a flexible approach to coherent frequency upconversion; it has been successfully demonstrated for conversion from radio- and microwaves (kHz to GHz) to optical fields. Nevertheless, optomechanical transduction of multi-THz and mid-infrared signals remains an open challenge. Here, we utilize molecular cavity optomechanics to demonstrate upconversion of sub-microwatt continuous-wave signals at $\sim$32~THz into the visible domain at ambient conditions. The device consists in a plasmonic nanocavity hosting a small number of molecules. The incoming field resonantly drives a collective molecular vibration, which imprints an optomechanical modulation on a visible pump laser and results in Stokes and anti-Stokes upconverted Raman sidebands with sub-natural linewidth, indicating a coherent process. The nanocavity offers 13 orders of magnitude enhancement of upconversion efficiency per molecule compared to free space, with a measured phonon-to-photon internal conversion efficiency larger than $10^{-4}$ per milliwatt of pump power. Our results establish a flexible paradigm for optomechanical frequency conversion using molecular oscillators coupled to plasmonic nanocavities, whose vibrational and electromagnetic properties can be tailored at will using chemical engineering and nanofabrication.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:32:57
# フレーム重ね合わせクラスタ : 遷移行列を高精度に導出する方法

Frame Superposition Cluster: The method to derive the transition matrices in high accuracy ( http://arxiv.org/abs/2107.02979v2 )

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Hikaru Wakaura and Takao Tomono(参考訳) 変分量子固有ソルバ(vqe)法は、量子コンピュータを用いて固有エネルギーから波動関数を導出する方法である。 しかし、それらの重畳状態を利用する方法はまだ開発されていない。 VQE法により導かれる2つの状態間の可観測物のオフ対角要素を計算するには、ノイズ中間スケール量子(NISQ)デバイスに対する多数のゲート演算が必要となる。 VQE法により導出された状態間の重ね合わせ状態を駆動する新しい手法を提案した。 Frame superposition cluster (FSC) と呼ぶ。 本手法を用いて, 双極子遷移モーメントを他の方法と比較して高い精度で計算できることを確認した。

Variational Quantum Eigensolver (VQE) method is the way to derive the wave functions from their eigen energies using quantum computers. But, the methods to utilize the superposition states between them haven't been developed yet. The method to calculate the off diagonal element of observables between two states derived by VQE method requires large numbers of gate operations for Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) devices. We proposed the novel method to drive the superposition state between the states the derived by VQE method. We call it Frame superposition cluster (FSC) method. Using the method, we confirmed that dipole transition moment could be calculated with the highest accuracy compared to other methods.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-23 04:32:31
# 円形ブラッグ格子における量子ドットに基づく通信OバンドにおけるBright Purcell強化単一光子源

Bright Purcell enhanced single-photon source in the telecom O-band based on a quantum dot in a circular Bragg grating ( http://arxiv.org/abs/2107.03316v1 )

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Sascha Kolatschek, Cornelius Nawrath, Stephanie Bauer, Jiasheng Huang, Julius Fischer, Robert Sittig, Michael Jetter, Simone L. Portalupi, Peter Michler(参考訳) 半導体量子ドット(qds)とフォトニックキャビティの組み合わせは、明るさ、識別性、繰り返し率の点で最先端の性能を持つ非古典的な光源を実現する有望な方法である。 本研究は,通信Oバンド中に放出されるInGaAs/GaAsQDと円ブラッグ格子共振器とのカップリングを実証する。 キャビティモード内およびデチュード内における2つのエミッションラインをそれぞれ調査することにより,帯域幅の幾何的抽出効率の向上を実証する。 第1のケースでは、パーセル増強4が達成される。 後者の場合、第1レンズの明るさが23%のエンドツーエンドの輝度が1.4%となる。 p殻ポンピングを用いて、純粋な単一光子放出(g(2)(0) = 0.01)と高いカウントレートの組み合わせが達成される。 最後に、最大77kの温度において、優れた単一光子純度 (g(2)(0) = 0.13) と高い検出器数率 191kcps が示される。

The combination of semiconductor quantum dots (QDs) with photonic cavities is a promising way to realize non-classical light sources with state-of-the-art performances in terms of brightness, indistinguishability and repetition rate. In the present work we demonstrate the coupling of an InGaAs/GaAs QDs emitting in the telecom O-band to a circular Bragg grating cavity. We demonstrate a broadband geometric extraction efficiency enhancement by investigating two emission lines under above-band excitation, inside and detuned from the cavity mode, respectively. In the first case, a Purcell enhancement of 4 is attained. For the latter case, an end-to-end brightness of 1.4% with a brightness at the first lens of 23% is achieved. Using p-shell pumping, a combination of high count rate with pure single-photon emission (g(2)(0) = 0.01 in saturation) is achieved. Finally a good single-photon purity (g(2)(0) = 0.13) together with a high detector count rate of 191kcps is demonstrated for a temperature of up to 77K.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:25:48
# 個人情報管理

Personal Information Management ( http://arxiv.org/abs/2107.03291v1 )

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William Jones and Jesse David Dinneen and Robert Capra and Anne R. Diekema and Manuel A. P\'erez-Qui\~nones(参考訳) Personal Information Management (PIM) refers to the practice and the study of the activities a person performs in order to acquire or create, store, organize, maintain, retrieve, use, and distribute information in each of its many forms (paper and digital, in e-mails, files, Web pages, text messages, tweets, posts, etc.) as needed to meet life's many goals (everyday and long-term, work-related and not) and to fulfill life's many roles and responsibilities (as parent, spouse, friend, employee, member of community, etc.). PIM活動は、情報とニーズのマッピングを確立し、使用し、維持するための取り組みである。 現在のニーズから情報へと(そして再)移動し、遭遇した情報から期待されたニーズへ移動し続ける活動。 情報のフローの維持、整理、管理といったメタレベルのアクティビティは、マッピング自体にフォーカスします。 PIMのツールや技術は、個人情報のライフサイクルを通じて、PIM活動の各種類の利益と情報統合を促進することができる。 PIMの重要な課題は、不注意に問題を発生させることなく、この統合を実現する方法を理解することです。

Personal Information Management (PIM) refers to the practice and the study of the activities a person performs in order to acquire or create, store, organize, maintain, retrieve, use, and distribute information in each of its many forms (paper and digital, in e-mails, files, Web pages, text messages, tweets, posts, etc.) as needed to meet life's many goals (everyday and long-term, work-related and not) and to fulfill life's many roles and responsibilities (as parent, spouse, friend, employee, member of community, etc.). PIM activities are an effort to establish, use, and maintain a mapping between information and need. Activities of finding (and re-finding) move from a current need toward information while activities of keeping move from encountered information toward anticipated need. Meta-level activities such as maintaining, organizing, and managing the flow of information focus on the mapping itself. Tools and techniques of PIM can promote information integration with benefits for each kind of PIM activity and across the life cycle of personal information. Understanding how best to accomplish this integration without inadvertently creating problems along the way is a key challenge of PIM.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:25:32
# 実ヒルベルト空間における光子量子力学

Photon quantum mechanics in real Hilbert space ( http://arxiv.org/abs/2107.03262v3 )

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Margaret Hawton(参考訳) 古典的には、電磁パルスは荷電物質と結合し因果的に伝播する実場によって記述される。 ここで、標準的な古典的電磁理論で使われる形式の実場は、x にある光子の確率密度が正定値であり、標準物理観測可能な全てのものを表す作用素が存在する量子力学的解釈を持つことを示す。 量子光学と量子場理論のほとんどの(すべてではないが)表現に現れる {\omega}_{k}^{1/2} 依存の共変代替が提示され、実スカラー 1 つの光子進行ポテンシャルと遅延ポテンシャルが導出される。

Classically, electromagnetic pulses are described by real fields that couple to charged matter and propagate causally. We will show here that real fields of the form used in standard classical electromagnetic theory have a quantum mechanical interpretation in which the probability density for a photon to be at x is positive definite and operators representing all of the standard physical observables exist. A covariant alternative to the {\omega}_{k}^{1/2} dependence that appears in most (but not all) presentations of quantum optics and quantum field theory is presented and real scalar one photon advanced and retarded potentials are derived.
公開日:2021-12-04
翻訳日:2023-03-23 04:25:18
# 量子進化核 : 量子ビットのプログラマブル配列を用いたグラフ上の機械学習

Quantum evolution kernel : Machine learning on graphs with programmable arrays of qubits ( http://arxiv.org/abs/2107.03247v1 )

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Louis-Paul Henry, Slimane Thabet, Constantin Dalyac and Lo\"ic Henriet(参考訳) 信頼できる量子処理ユニット(QPU)の急速な開発により、機械学習の新たな計算機会が開かれる。 本稿では,量子システムの時間発展に基づいて,グラフ構造データ間の類似度を測定する手法を提案する。 システムのハミルトニアンにおける入力グラフの位相を符号化することにより、進化はデータの重要な特徴を保持する測定サンプルを生成する。 この手順を解析的に検討し,標準古典的アプローチとの関連性を示す。 次に,典型的なベンチマークデータセットの標準グラフカーネルと比較して,このスキームが良好であることを数値的に示す。 最後に,現実的な中性原子量子プロセッサへの具体的な実装の可能性を検討する。

The rapid development of reliable Quantum Processing Units (QPU) opens up novel computational opportunities for machine learning. Here, we introduce a procedure for measuring the similarity between graph-structured data, based on the time-evolution of a quantum system. By encoding the topology of the input graph in the Hamiltonian of the system, the evolution produces measurement samples that retain key features of the data. We study analytically the procedure and illustrate its versatility in providing links to standard classical approaches. We then show numerically that this scheme performs well compared to standard graph kernels on typical benchmark datasets. Finally, we study the possibility of a concrete implementation on a realistic neutral-atom quantum processor.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:25:08
# 最大混合初期量子ビット状態のみを用いた関係量子コンピューティング

Relational quantum computing using only maximally mixed initial qubit states ( http://arxiv.org/abs/2107.03239v1 )

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Terry Rudolph, Shashank Soyuz Virmani(参考訳) すなわち、線形独立なブロッホベクトルが3つ未満の初期の単一量子ビット状態のアンサンブルが与えられたとき、より賢い著者が2量子ビットのシングルレット/トリップレットの測定を量子的に普遍的にする方法を見つける必要がある。 実際、最大混合単一量子ビットの最初のアンサンブルが十分であることを示す。

We disprove the conjecture of [1], namely that it would require smarter authors to find a way of making the two-qubit singlet/triplet measurement quantum computationally universal given an ensemble of initial single qubit states with less than three linearly independent Bloch vectors. We show, in fact, that an initial ensemble of maximally mixed single qubits suffices.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:24:58
# 量子コンピューティングのための鉄道再スケジュールの二次および高次非拘束二元最適化

Quadratic and Higher-Order Unconstrained Binary Optimization of Railway Rescheduling for Quantum Computing ( http://arxiv.org/abs/2107.03234v5 )

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Krzysztof Domino, Akash Kundu, \"Ozlem Salehi, Krzysztof Krawiec(参考訳) 鉄道交通の混乱の結果が乗客の体験や満足度に影響するため、適切なルート変更や再スケジュールが必要となる。 これらの問題は、交通特性の多くの制限からNPハードであることが知られている。 近年の量子技術の発展により、量子アニールはそのような最適化問題を解決する代替手法となっている。 量子アニールを使用するには、QUBO(四進二進最適化)やHOBO(高次二進二進最適化)で符号化し、QUBOとして再キャストする必要がある。 本稿では,鉄道交通管理における問題の再スケジュールのためのquboとhobo表現について紹介する。 この新しいアプローチは、単線線だけでなく、複線、複線、および線路とスイッチからなる駅も考慮に入れている。 我々は、列車間のヘッドウェイの最小化、駅滞在の最小化、線路の占有状況、車両の循環状況について考察する。 さらに、リルーティングを含むハイブリッド量子古典手順も提示される。 D-Wave Quantum Processing Unit と D-Wave Hybridsolvr のコンセプト実装の実証実験を行った。

As consequences of disruptions in railway traffic affect passenger experience/satisfaction, appropriate rerouting and/or rescheduling is necessary. These problems are known to be NP-hard, given the numerous restrictions of traffic nature. With the recent advances in quantum technologies, quantum annealing has become an alternative method to solve such optimization problems. To use quantum annealing, the problem needs to be encoded in QUBO (quadratic unconstrained binary optimization) or HOBO (higher-order binary optimization) formulation that can be recast as a QUBO. This paper introduces QUBO and HOBO representations for rescheduling problems of railway traffic management; the latter is a new approach up to our knowledge. This new approach takes into account not only the single-track lines but also the double- and multi-track lines, as well as stations composed of tracks and switches. We consider the conditions of minimal headway between trains, minimal stay on stations, track occupation, and rolling stock circulation. Furthermore, a hybrid quantum-classical procedure is presented that includes rerouting. We demonstrate the proof of concept implementation on the D-Wave Quantum Processing Unit and D-Wave hybrid solver.
公開日:2022-07-20
翻訳日:2023-03-23 04:24:52
# 量子はしご系からの区別不可能な単一光子の励起生成

Stimulated generation of indistinguishable single photons from a quantum ladder system ( http://arxiv.org/abs/2107.03232v1 )

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Friedrich Sbresny, Lukas Hanschke, Eva Sch\"oll, William Rauhaus, Bianca Scaparra, Katarina Boos, Hubert Riedl, Jonathan J. Finley, Klaus J\"ons, and Kai M\"uller(参考訳) 半導体量子ドットを用いた非常に識別不能な単一光子生成法を提案し,その性能とポテンシャルを実証する。 このスキームは、バイエクシトンを共鳴2光子励起した後、バイエクシトンを刺激してエクシトンを選択的に調製する。 量子光学シミュレーションと実験はよく一致しており、このスキームが以前に実証された励起法よりも大きな利点をもたらすことを示す。 バイエクシトンの2光子励起は再励起を抑制し、超低多重光子誤差を許容する一方、正確なタイミングの刺激パルスは光子の非常に低いタイミングのジッタを生じさせ、その結果高い識別性をもたらす。 どちらの制御レーザー場も放出エネルギーから切り離されるため、このスキームは偏光フィルタリングを必要とせず、高輝度のユニティに近づく。 さらに、放射された単一光子の偏光は、量子光の偏光が決定的にプログラム可能であるような刺激レーザー場によって制御される。

We propose a scheme for the generation of highly indistinguishable single photons using semiconductor quantum dots and demonstrate its performance and potential. The scheme is based on the resonant two-photon excitation of the biexciton followed by stimulation of the biexciton to selectively prepare an exciton. Quantum-optical simulations and experiments are in good agreement and show that the scheme provides significant advantages over previously demonstrated excitation methods. The two-photon excitation of the biexciton suppresses re-excitation and enables ultra-low multi-photon errors, while the precisely timed stimulation pulse results in very low timing jitter of the photons, and consequently, high indistinguishability. Since both control laser fields are detuned from the emission energy, the scheme does not require polarization filtering, facilitating high brightness approaching unity. Moreover, the polarization of the emitted single photons is controlled by the stimulation laser field, such that the polarization of the quantum light is deterministically programmable.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:24:32
# 2つの非混和性ボース・アインシュタイン凝縮体の磁壁を通り抜ける暗黒のソリトンの生成

Dynamical generation of dark-bright solitons through the domain wall of two immiscible Bose-Einstein condensates ( http://arxiv.org/abs/2107.03209v1 )

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Maria Arazo, Montserrat Guilleumas, Ricardo Mayol, Michele Modugno(参考訳) ボース=アインシュタイン凝縮体の2成分不和合体におけるダークソリトンの1次元ダイナミクスと反発相互作用について理論的に検討する。 我々は、ドメイン壁を伝播するソリトンの反射と透過を解析し、静止解が存在するパラメータの系外において、ダーク・ライト・ソリトンとドメイン壁との相互作用によって動的に生成できることを示す。 この暗黒のソリトンのダイナミクスは調和的であり、半解析モデルの予測とよく一致する数値周波数である。

We theoretically investigate the one-dimensional dynamics of a dark soliton in a two-component immiscible mixture of Bose-Einstein condensates with repulsive interactions. We analyze the reflection and transmission of a soliton when it propagates through the domain wall, and we show that a dark-bright soliton can be dynamically generated by the interaction of the dark soliton with the domain wall, outside the regime of parameters where stationary solutions are known to exist. The dynamics of this dark-bright soliton is harmonic like, with a numerical frequency that is in good agreement with the predictions of a semi-analytical model.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:24:15
# オープンソースソフトウェアの地理学 - GitHubからの証拠

The Geography of Open Source Software: Evidence from GitHub ( http://arxiv.org/abs/2107.03200v2 )

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Johannes Wachs, Mariusz Nitecki, William Schueller, Axel Polleres(参考訳) オープンソースソフトウェア(OSS)はデジタル経済において重要な役割を果たす。 しかし、ソフトウェア生産はリモートコラボレーションに適しており、アウトプットは遠隔地で簡単に共有できるが、ソフトウェア開発は、シリコンバレー、ロンドン、ベルリンなど、地理的にクラスターしているように見える。 最近の研究は、OSSアクティビティが知識の流出や情報効果を通じて局所的に発生するポジティブな外部性を生成することを示しているが、アクティブなオープンソース開発者の地理的分布に関する最新のデータは限られている。 これは、公共セクター機関のコスト削減ツールとしてOSSを国家レベルで推進する政策立案者にとって重要な盲点となる。 このギャップに対処するために、2021年初頭にGitHubに50万人以上のアクティブなコントリビュータをさまざまな空間スケールで配置しました。 2010年の成果と比較すると、アジア、ラテンアメリカ、東ヨーロッパを拠点とする開発者のシェアは大幅に増加しており、OSS開発者の世界的普及が示唆されている。 しかし、国内では、ハイテク分野の労働者の集中を上回って、地域がかなり集中しているのがわかります。 社会・経済開発指標は、EUにおけるOSS活動の地域的変化のほぼ半分を予測しており、OSSのクラスタが同調的なルーツを持っていることを示唆している。 OSSの育成を目指す政策立案者は,OSS開発者のネットワークを支援するために,クラスタポリシのツールを使用して,全国的ではなく地方に集中すべきだ,と我々は主張する。

Open Source Software (OSS) plays an important role in the digital economy. Yet although software production is amenable to remote collaboration and its outputs are easily shared across distances, software development seems to cluster geographically in places such as Silicon Valley, London, or Berlin. And while recent work indicates that OSS activity creates positive externalities which accrue locally through knowledge spillovers and information effects, up-to-date data on the geographic distribution of active open source developers is limited. This presents a significant blindspot for policymakers, who tend to promote OSS at the national level as a cost-saving tool for public sector institutions. We address this gap by geolocating more than half a million active contributors to GitHub in early 2021 at various spatial scales. Compared to results from 2010, we find a significant increase in the share of developers based in Asia, Latin America and Eastern Europe, suggesting a more even spread of OSS developers globally. Within countries, however, we find significant concentration in regions, exceeding the concentration of workers in high-tech fields. Social and economic development indicators predict at most half of regional variation in OSS activity in the EU, suggesting that clusters of OSS have idiosyncratic roots. We argue that policymakers seeking to foster OSS should focus locally rather than nationally, using the tools of cluster policy to support networks of OSS developers.
公開日:2021-10-12
翻訳日:2023-03-23 04:24:04
# 量子ガウス進化の場の減少状態と古典性

Reduced state of the field and classicality of quantum Gaussian evolution ( http://arxiv.org/abs/2107.03196v3 )

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Tomasz Linowski, {\L}ukasz Rudnicki(参考訳) 光の量子進化の古典性の概念は、概念的および実践的重要性の両方の目的である。 この研究の主な目的は、量子ガウス進化の古典性、すなわち光のガウス状態とその凸結合の進化の正確な条件を導出することであり、これは量子光学と情報において非常に重要なモデルである。 ガウス熱演算からエンタングルメント最大化散逸工学まで、いくつかの例について論じる。 本研究は,最近導入されたmesoscopic theory of the reduced state of the fieldによって得られた。 ここでは、このフレームワークを私たちの目標に合うものにするために、古典性を探究するためのツールとして再開発します。

The notion of classicality of quantum evolution of light is an object of both conceptual and practical importance. The main goal of this work is to derive the exact conditions for the classicality of quantum Gaussian evolution, i.e. the evolution of Gaussian states of light and their convex combinations, a model which is of great significance in quantum optics and information. Several examples, ranging from Gaussian thermal operations to entanglement-maximizing dissipative engineering, are discussed. Our results are obtained using the recently introduced mesoscopic theory of the reduced state of the field, which was originally devised as as a description of macroscopic quantum fields. Here, to make the framework suitable for our goal, we redevelop it as a tool for probing classicality, which constitutes our second main contribution.
公開日:2022-09-07
翻訳日:2023-03-23 04:23:41
# 正確なエネルギーに対する下界の積分

Integrals for lower bounds to the exact energy ( http://arxiv.org/abs/2107.03469v1 )

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Robbie Thomson Ireland(参考訳) 上界エネルギーの分散を利用して, 正確なエネルギーに対する下界を計算する方法について検討した。 ハミルトニアン二乗の行列要素はすべて収集され、考慮され、文献に既知の解が見つからないものは、明確に相関したガウス基底集合(ecg)に対して導出される。 分析解は、多原子計算で用いられる1次元積分式に加えて、2電子単核系に対して決定される。 新たに派生した積分式は QUANTEN コンピュータプログラムの積分ライブラリに実装されている。

Methods for calculating lower bounds to the exact energy using the variance of the upper bound energy are discussed and explored. All the matrix elements of the Hamiltonian squared are collected and considered, and those for which no known solutions could be found in the literature are derived for an explicitly correlated Gaussian (ECG) basis set. Analytical Solutions are determined for two-electron, mono-nuclear systems, in addition to a one-dimensional integral expression which has use in polyatomic calculations. The newly derived integral expressions have been implemented in the integral library of the QUANTEN computer program.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:16:16
# ゼロ光子検出にむけて

Heralding on the Detection of Zero Photons ( http://arxiv.org/abs/2107.03468v3 )

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C.M. Nunn, J.D. Franson, and T.B. Pittman(参考訳) 量子光学実験における紋章信号は通常、ちょうど1つの光子の検出に基づいているが、理論上は、ゼロ光子の検出に基づく紋章は、多くの量子情報応用において有用であることが示されている。 ここでは、従来の単光子検出器と時間タグ法による「ゼロ光子を強制する」実験手法について述べる。 検出器効率と暗カウントレートは、ゼロ光子を正確に検出する能力において反直感的な役割を担っており、香港・ウー・マンデル干渉計でゼロ光子を隠蔽する実験でこれらの効果を実証している。

Although heralding signals in quantum optics experiments are typically based on the detection of exactly one photon, it has recently been theoretically shown that heralding based on the detection of zero photons can be useful in a number of quantum information applications. Here we describe an experimental technique for "heralding on zero photons" using conventional single-photon detectors and time-tagging methods. We find that detector efficiency and dark count rates play a counterintuitive role in the ability to accurately detect zero photons, and demonstrate these effects in an experiment that involves heralding on zero photons in the well-known Hong-Ou-Mandel interferometer.
公開日:2021-09-30
翻訳日:2023-03-23 04:16:07
# レインボーカー:地域からボリューム法へ

Rainbow Scars: From Area to Volume Law ( http://arxiv.org/abs/2107.03416v3 )

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Christopher M. Langlett, Zhi-Cheng Yang, Julia Wildeboer, Alexey V. Gorshkov, Thomas Iadecola, Shenglong Xu(参考訳) 量子多体傷(Quantum many-body scars, QMBS)は、希少な「スカーレッド」固有状態が弱いエルゴード性破壊を媒介する新しい量子力学系を構成する。 一つのオープンな疑問は、これらの状態が生じる最も一般的な設定を理解することである。 本研究では,任意のハミルトニアンのスペクトルに新しいqmbのレインボースカーを組み込む汎用的な構成法を開発した。 QMBSの他の例とは異なり、虹の傷は、単純な絡み合い構造を維持しながら、広範な二部構造エントロピーを示す。 具体的には、絡み合いのスケーリングはランダムな二分割のボリューム法則であり、微調整された二分割のスケーリングはサブエクステンシブである。 内部対称性が存在すると、構造は複数の、そして、特異な非熱力学によって明らかな虹の傷の塔へとつながる。 顕著なことに、ある種の対称性は、翻訳不変のモデルで虹の傷を生じさせる可能性がある。 この目的のために,rydberg-atom量子シミュレータにおいて虹の傷の状態を実現するための実験的な道路地図を提供し,同一システムで既に実現されていた厳密なサブボリュームローqmbとは異なるコヒーレント振動を導出する。

Quantum many-body scars (QMBS) constitute a new quantum dynamical regime in which rare "scarred" eigenstates mediate weak ergodicity breaking. One open question is to understand the most general setting in which these states arise. In this work, we develop a generic construction that embeds a new class of QMBS, rainbow scars, into the spectrum of an arbitrary Hamiltonian. Unlike other examples of QMBS, rainbow scars display extensive bipartite entanglement entropy while retaining a simple entanglement structure. Specifically, the entanglement scaling is volume-law for a random bipartition, while scaling for a fine-tuned bipartition is sub-extensive. When internal symmetries are present, the construction leads to multiple, and even towers of rainbow scars revealed through distinctive non-thermal dynamics. Remarkably, certain symmetries can lead rainbow scars to arise in translation-invariant models. To this end, we provide an experimental road map for realizing rainbow scar states in a Rydberg-atom quantum simulator, leading to coherent oscillations distinct from the strictly sub-volume-law QMBS previously realized in the same system.
公開日:2021-11-10
翻訳日:2023-03-23 04:15:54
# 多変量モンテカルロ推定のための量子アルゴリズム

Quantum algorithms for multivariate Monte Carlo estimation ( http://arxiv.org/abs/2107.03410v1 )

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Arjan Cornelissen, Sofiene Jerbi(参考訳) 本研究では,多次元確率変数を用いて出力を記述したモンテカルロ過程の期待結果の推定問題を考える。 我々はモンテカルロ過程へのオラクルアクセスの様々な選択と、その出力変数の様々な正規化条件とその推定について、この問題の量子クエリの複雑さを厳しく特徴づける。 より具体的には、得られた推定値の精度に関して、クエリの複雑さを2次的に高速化する量子アルゴリズムを設計し、これらの複雑さが各シナリオにおいて漸近的に最適であることを示す。 興味深いことに、これらの精度に関するスピードアップは、モンテカルロ確率変数の次元に対する(指数関数的な)スローダウンのコストで、我々が考慮するパラメータ設定の大部分で発生する。 また、機械学習分野におけるアルゴリズムのいくつかの応用についても述べ、その結果がもたらす影響について論じる。

We consider the problem of estimating the expected outcomes of Monte Carlo processes whose outputs are described by multidimensional random variables. We tightly characterize the quantum query complexity of this problem for various choices of oracle access to the Monte Carlo process and various normalization conditions on its output variables and the estimates to be made. More specifically, we design quantum algorithms that provide a quadratic speed-up in query complexity with respect to the precision of the resulting estimates and show that these complexities are asymptotically optimal in each of our scenarios. Interestingly, we find that these speed-ups with respect to the precision come at the cost of a (up to exponential) slowdown with respect to the dimension of the Monte Carlo random variables, for most of the parameter settings we consider. We also describe several applications of our algorithms, notably in the field of machine learning, and discuss the implications of our results.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:15:33
# 測定誘起遷移における作用素スケーリング次元と多フラクタル性

Operator scaling dimensions and multifractality at measurement-induced transitions ( http://arxiv.org/abs/2107.03393v3 )

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Aidan Zabalo, Michael J. Gullans, Justin H. Wilson, Romain Vasseur, Andreas W. W. Ludwig, Sarang Gopalakrishnan, David A. Huse, J. H. Pixley(参考訳) 量子多体系の繰り返し局所測定は、その絡み合い構造における相転移を誘導することができる。 これらの測定誘起相転移 (mipts) は様々な種類の動力学について研究されてきたが、ほとんどのケースでは臨界指数の定量的に類似した値が得られ、基礎となる普遍性クラスが1つしかないかどうかは不明である。 ここでは,これらのMIPTを規定する共形場理論の特性を数値移動行列法を用いて直接探索し,実効的な中心電荷を抽出し,これらの臨界点における演算子の最初の低階スケール次元を抽出する。 この結果は、量子ビットに対するジェネリックおよびクリフォードmiptが異なる普遍性クラスに存在し、どちらも大きなオンサイトヒルベルト空間次元の極限におけるクディッツのパーコレーション遷移とは異なるという説得力のある証拠を与える。 一般の場合, 連続的なスケーリング次元スペクトルに反映される臨界点における相関関数の多重フラクタルスケーリングの強い証拠を見出す。

Repeated local measurements of quantum many body systems can induce a phase transition in their entanglement structure. These measurement-induced phase transitions (MIPTs) have been studied for various types of dynamics, yet most cases yield quantitatively similar values of the critical exponents, making it unclear if there is only one underlying universality class. Here, we directly probe the properties of the conformal field theories governing these MIPTs using a numerical transfer-matrix method, which allows us to extract the effective central charge, as well as the first few low-lying scaling dimensions of operators at these critical points. Our results provide convincing evidence that the generic and Clifford MIPTs for qubits lie in different universality classes and that both are distinct from the percolation transition for qudits in the limit of large onsite Hilbert space dimension. For the generic case, we find strong evidence of multifractal scaling of correlation functions at the critical point, reflected in a continuous spectrum of scaling dimensions.
公開日:2022-02-11
翻訳日:2023-03-23 04:15:17
# 量子宇宙内からの古典の出現

Emergence of the Classical from within the Quantum Universe ( http://arxiv.org/abs/2107.03378v1 )

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Wojciech Hubert Zurek(参考訳) デコヒーレンス(decoherence)は、量子システムのオープン性 -- 環境との相互作用 -- が、量子性の明らかな表現を抑制する方法を示している。 einselectionは、望ましい準古典的ポインタ状態の出現に寄与する。 量子ダーウィン主義はデコヒーレンスを超える。 監視環境が取得した情報が、多くのコピーにおいて、監視環境において拡散され、観察者がアクセスできるようになると仮定する。 環境を通信チャネルとして使用するオブザーバによる情報取得の間接的性質は、量子基板から客観的な古典的現実が生まれるメカニズムである: 関心のあるシステムの状態は、それらの情報を取得するエージェントによって直接測定(摂動ではなく)されることはない。 したがって、観察者によって得られる情報に影響を受けない。

Decoherence shows how the openness of quantum systems -- interaction with their environment -- suppresses flagrant manifestations of quantumness. Einselection accounts for the emergence of preferred quasi-classical pointer states. Quantum Darwinism goes beyond decoherence. It posits that the information acquired by the monitoring environment responsible for decoherence is disseminated, in many copies, in the environment, and thus becomes accessible to observers. This indirect nature of the acquisition of information by observers who use the environment as a communication channel is the mechanism through which objective classical reality emerges from the quantum substrate: States of the systems of interest are not subjected to direct measurements (hence, not perturbed) by the agents acquiring information about them. Thus, they can exist unaffected by the information gained by observers.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:14:58
# 量子熱力学における新しい熱の再定義の不適切性に関する一考察

A comment on a possible inadequacy of new redefinitions of heat and work in quantum thermodynamics ( http://arxiv.org/abs/2107.03369v1 )

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Eduardo B. Botosso, Jose S. Sales, and Norton G. de Almeida(参考訳) 量子熱力学領域の[arxiv: 1912.01939, arxiv:1912.0 1983v5]で最近発表された熱qとワークwの新しい再定義を分析する。 これらの再定義によれば、熱はエントロピーの変動と関連しなければならず、仕事は状態ベクトルの変動と関連づけられなければならない。 2つの特定の例の挙動を分析した結果、これらの新しい再定義のいくつかの特異性を示し、その反例に基づいて、これらの再定義の潜在的な不備を指摘する。

We analyze the new redefinitions of heat Q and work W recently presented in [arXiv: 1912.01939; arXiv:1912.01983v5] in the quantum thermodynamics domain. According to these redefinitions, heat must be associated with the variation of entropy, while work must be associated with variation of state vectors. Analyzing the behavior of two specific examples, we show some peculiarities of these new redefinitions which, based on the counterexample presented, seems to point to a possible inadequacy of these redefinitions.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:14:45
# バリアビリヤードとランダム行列

Barrier billiard and random matrices ( http://arxiv.org/abs/2107.03364v1 )

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Eugene Bogomolny(参考訳) 障壁ビリヤードは、興味深く複雑な古典的および量子的性質を持つ擬可積分モデルの最も単純な例である。 Wiener-Hopf法を用いて、中心に障壁を持つ矩形ビリヤードの量子力学を、あるユニタリ行列の研究に還元できることを示した。 ヒューリスティックな仮定の下では、この行列は独立興味のある特別な低複素ランダムユニタリ行列によって置き換えられる。 論文の主な結果は (i)このようなビリヤードのスペクトル統計は、バリアの高さに影響を受けず、また、 (ii)半ポアソン分布によってよく説明される。

The barrier billiard is the simplest example of pseudo-integrable models with interesting and intricate classical and quantum properties. Using the Wiener-Hopf method it is demonstrated that quantum mechanics of a rectangular billiard with a barrier in the centre can be reduced to the investigation of a certain unitary matrix. Under heuristic assumptions this matrix is substituted by a special low-complexity random unitary matrix of independent interest. The main results of the paper are (i) spectral statistics of such billiards is insensitive to the barrier height and (ii) it is well described by the semi-Poisson distributions.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:14:36
# 数個のコピーから量子多体システムを学ぶ

Learning quantum many-body systems from a few copies ( http://arxiv.org/abs/2107.03333v2 )

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Cambyse Rouz\'e, Daniel Stilck Fran\c{c}a(参考訳) 量子状態の物理特性を測定から推定することは、量子科学における最も基本的なタスクの1つである。 本研究では,与えられた局所性の準局所可観測値の期待値から,系の大きさに多変量的に増大する多数のサンプルから相対誤差までを推定し,対象の可観測値の局所性を多項式的に推定することのできる状態の条件を同定する。 これはいくつかのレジームにおいて既知のトモグラフィ法よりも指数関数的に改善される。 我々は、量子状態、すなわち最大エントロピー法を量子最適輸送と古典影の新たな分野のツールと組み合わせることで、最も確立された手法の1つを達成する。 我々は、この条件が相関のある種の減衰を示す全ての状態に対して成り立つと仮定し、いくつかの部分集合に対してそれを確立する。 これらは、任意のハイパーグラフ上の局所通勤ハミルトニアンの1次元熱および高温ギブス状態や浅い回路の出力など、広く研究されている状態のクラスを含む。 さらに,独立利害のサンプル複雑性を超えて,最大エントロピー法の改善を示す。 これらは、多体状態の共分散行列の条件数に関する新しいバウンダリと同様に、ポストプロセッシングを効率的に実行することが可能なレギュレーションの同定を含む。

Estimating physical properties of quantum states from measurements is one of the most fundamental tasks in quantum science. In this work, we identify conditions on states under which it is possible to infer the expectation values of all quasi-local observables of a given locality up to a relative error from a number of samples that grows polylogarithmically with the system's size and polynomially on the locality of the target observables. This constitutes an exponential improvement over known tomography methods in some regimes. We achieve our results by combining one of the most well-established techniques to learn quantum states, namely the maximum entropy method, with tools from the emerging fields of quantum optimal transport and classical shadows. We conjecture that our condition holds for all states exhibiting some form of decay of correlations and establish it for several subsets thereof. These include widely studied classes of states such as one-dimensional thermal and high-temperature Gibbs states of local commuting Hamiltonians on arbitrary hypergraphs or outputs of shallow circuits. Moreover, we show improvements of the maximum entropy method beyond the sample complexity of independent interest. These include identifying regimes in which it is possible to perform the postprocessing efficiently as well as novel bounds on the condition number of covariance matrices of many-body states.
公開日:2021-08-24
翻訳日:2023-03-23 04:14:28
# ソーシャルメディアにおける気候変動陰謀理論

Climate Change Conspiracy Theories on Social Media ( http://arxiv.org/abs/2107.03318v1 )

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Aman Tyagi, Kathleen M. Carley(参考訳) 気候変動コミュニケーションにおける重要な課題の1つは陰謀論の普及である。 本稿では,大規模Twitterコーパスに見られる気候変動に関する主要な陰謀論について論じる。 我々は、最新のスタンス検出手法を用いて、気候変動に対する疑念や信奉者の間で陰謀論がより人気があるかどうかを見極める。 次に、どの陰謀理論が他よりも人気が高いか、そして気候変動の信念によってどのように人気が変わるかを分析する。 気候変動に対する疑念は、陰謀論関連のキーワードとメッセージを共有することに圧倒的に責任を持ち、全ての陰謀論が等しく共有されているわけではない。 最後に,気候変動コミュニケーションにおける知見の意義について論じる。

One of the critical emerging challenges in climate change communication is the prevalence of conspiracy theories. This paper discusses some of the major conspiracy theories related to climate change found in a large Twitter corpus. We use a state-of-the-art stance detection method to find whether conspiracy theories are more popular among Disbelievers or Believers of climate change. We then analyze which conspiracy theory is more popular than the others and how popularity changes with climate change belief. We find that Disbelievers of climate change are overwhelmingly responsible for sharing messages with conspiracy theory-related keywords, and not all conspiracy theories are equally shared. Lastly, we discuss the implications of our findings for climate change communication.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:14:06
# ループ内意思決定のための実用的画像圧縮

Pragmatic Image Compression for Human-in-the-Loop Decision-Making ( http://arxiv.org/abs/2108.04219v1 )

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Siddharth Reddy, Anca D. Dragan, Sergey Levine(参考訳) 標準的な損失画像圧縮アルゴリズムは、画像の外観を保存し、送信に必要なビット数を最小化する。 しかし、ユーザーがダウンストリームタスクに実際に必要な情報量(例えば、ショッピングウェブサイトでクリックする商品を決定する)は、おそらくはるかに少ない。 この低ビットレートを達成するためには、ユーザの行動を促す視覚的特徴のみを送信し、ユーザの判断に関係のない詳細を破棄することが理想である。 ユーザが圧縮画像を用いてタスクを実行する際に,ループ内学習を通じて圧縮モデルをトレーニングすることにより,この問題にアプローチする。 キーとなる洞察は、モデルをトレーニングして圧縮されたイメージを生成し、元のイメージを見た場合と同じアクションを取るようにユーザに誘導することである。 このモデルの損失関数を近似するために、圧縮された画像に応答してユーザーのアクションが取られたかどうかを識別しようとする判別器を訓練する。 本手法は,手書き数字の読み出し,顔の写真の検証,オンラインショッピングカタログ閲覧,カーレースビデオゲームの4つのタスクにおいて,被験者による実験により評価を行った。 The results show that our method learns to match the user's actions with and without compression at lower bitrates than baseline methods, and adapts the compression model to the user's behavior: it preserves the digit number and randomizes handwriting style in the digit reading task, preserves hats and eyeglasses while randomizing faces in the photo verification task, preserves the perceived price of an item while randomizing its color and background in the online shopping task, and preserves upcoming bends in the road in the car racing game.

Standard lossy image compression algorithms aim to preserve an image's appearance, while minimizing the number of bits needed to transmit it. However, the amount of information actually needed by a user for downstream tasks -- e.g., deciding which product to click on in a shopping website -- is likely much lower. To achieve this lower bitrate, we would ideally only transmit the visual features that drive user behavior, while discarding details irrelevant to the user's decisions. We approach this problem by training a compression model through human-in-the-loop learning as the user performs tasks with the compressed images. The key insight is to train the model to produce a compressed image that induces the user to take the same action that they would have taken had they seen the original image. To approximate the loss function for this model, we train a discriminator that tries to distinguish whether a user's action was taken in response to the compressed image or the original. We evaluate our method through experiments with human participants on four tasks: reading handwritten digits, verifying photos of faces, browsing an online shopping catalogue, and playing a car racing video game. The results show that our method learns to match the user's actions with and without compression at lower bitrates than baseline methods, and adapts the compression model to the user's behavior: it preserves the digit number and randomizes handwriting style in the digit reading task, preserves hats and eyeglasses while randomizing faces in the photo verification task, preserves the perceived price of an item while randomizing its color and background in the online shopping task, and preserves upcoming bends in the road in the car racing game.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:08:38
# eRAKI:コイル結合と関節再建を併用したK空間補間(RAKI)のための高速ロバストニューラルネットワーク

eRAKI: Fast Robust Artificial neural networks for K-space Interpolation (RAKI) with Coil Combination and Joint Reconstruction ( http://arxiv.org/abs/2108.04218v1 )

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Heng Yu, Zijing Dong, Yamin Arefeen, Congyu Liao, Kawin Setsompop, Berkin Bilgic(参考訳) RAKIは、個々のスキャンから自動校正信号(ACS)のみを使用して、トレーニングモデルによりデータベースのないMRI再構成を行うことができる。 個々のコイルに対して別々のモデルをトレーニングするため、rakiによる学習と推論は、特に大規模な3dデータセットでは、計算的に禁止される。 本稿では,コイル結合ターゲットを直接学習することで200回以上RAKIを加速し,複数エコー間の関節再建と楕円型CAIPIサンプリングによる再構成性能の向上を図る。 さらに,これらの改良を定量的画像に展開し,高速EPTIスキャンからT2およびT2*パラメータマップを迅速に取得する。

RAKI can perform database-free MRI reconstruction by training models using only auto-calibration signal (ACS) from each specific scan. As it trains a separate model for each individual coil, learning and inference with RAKI can be computationally prohibitive, particularly for large 3D datasets. In this abstract, we accelerate RAKI more than 200 times by directly learning a coil-combined target and further improve the reconstruction performance using joint reconstruction across multiple echoes together with an elliptical-CAIPI sampling approach. We further deploy these improvements in quantitative imaging and rapidly obtain T2 and T2* parameter maps from a fast EPTI scan.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:08:15
# 身近な視覚ナビゲーションのためのディープラーニング:サーベイ

Deep Learning for Embodied Vision Navigation: A Survey ( http://arxiv.org/abs/2108.04097v4 )

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Fengda Zhu, Yi Zhu, Vincent CS Lee, Xiaodan Liang and Xiaojun Chang(参考訳) 身体視覚ナビゲーション」問題では,エージェントが3d環境をナビゲートするには,主にその一人称観察に依存する必要がある。 この問題は、自動運転、掃除機、救助ロボットに広く応用されているため、近年注目を集めている。 ナビゲーションエージェントは、視覚的知覚、マッピング、計画、探索、推論など、さまざまなインテリジェントなスキルを持つことが求められている。 そのようなエージェントの構築、思考、行動は、真の知性の鍵である。 深層学習手法の顕著な学習能力は、エージェントに具体化された視覚的ナビゲーションタスクを遂行する権限を与えた。 これにもかかわらず、部分的に観察された視覚入力の知覚、見えない領域の探索、見えるシナリオの記憶とモデリング、クロスモーダルな指示の理解、新しい環境への適応など、多くの高度なスキルが必要とされるため、具体化された視覚ナビゲーションはまだ初期段階にある。 近年,視覚ナビゲーションの具体化がコミュニティの注目を集め,これらの技術を学ぶために多くの作品が提案されている。 本稿では,包括的文献調査を行うことにより,具体的視覚ナビゲーションの分野における現在の研究の概要を確立することを試みる。 ベンチマークとメトリクスを要約し、異なるメソッドをレビューし、課題を分析し、最先端のメソッドを強調します。 最後に,視覚ナビゲーションの分野における未解決課題について議論し,今後の研究を進める上で有望な方向性を示す。

"Embodied visual navigation" problem requires an agent to navigate in a 3D environment mainly rely on its first-person observation. This problem has attracted rising attention in recent years due to its wide application in autonomous driving, vacuum cleaner, and rescue robot. A navigation agent is supposed to have various intelligent skills, such as visual perceiving, mapping, planning, exploring and reasoning, etc. Building such an agent that observes, thinks, and acts is a key to real intelligence. The remarkable learning ability of deep learning methods empowered the agents to accomplish embodied visual navigation tasks. Despite this, embodied visual navigation is still in its infancy since a lot of advanced skills are required, including perceiving partially observed visual input, exploring unseen areas, memorizing and modeling seen scenarios, understanding cross-modal instructions, and adapting to a new environment, etc. Recently, embodied visual navigation has attracted rising attention of the community, and numerous works has been proposed to learn these skills. This paper attempts to establish an outline of the current works in the field of embodied visual navigation by providing a comprehensive literature survey. We summarize the benchmarks and metrics, review different methods, analysis the challenges, and highlight the state-of-the-art methods. Finally, we discuss unresolved challenges in the field of embodied visual navigation and give promising directions in pursuing future research.
公開日:2021-10-11
翻訳日:2023-03-23 04:08:03
# バングラデシュにおける地方新聞型デングサーベイランスの展開と可能性

Exploring the Scope and Potential of Local Newspaper-based Dengue Surveillance in Bangladesh ( http://arxiv.org/abs/2107.14095v1 )

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Nazia Tasnim, Md. Istiak Hossain Shihab, Moqsadur Rahman, Sheikh Rabiul Islam and Mohammad Ruhul Amin(参考訳) デング熱は、特に南半球の熱帯および亜熱帯諸国において、21世紀の世界的な公衆衛生問題の一つと考えられている。 デング熱の高死亡率と死亡率は、中所得国と低所得国に大きな経済的・健康的負担を課している。 このような地域では、細かなレベルの監視を強制することは極めて不可能である。 したがって、進行中の状況をタイムリーに更新できる代替コスト効率の良いソリューションを探求することが不可欠である。 本稿では,バングラデシュでよく知られたデータマイニング技術を用いて,現地の新聞ベースのデング監視システムの範囲と可能性について,母国語で書かれたニュース内容の分析から検討する。 さらに, ループ内ヒューマン・イン・ザ・ループ手法を用いて, デングのさらなる解析, 分類, および介入関連ニュースを検索し, 新たなデータベース構築の作業手順について述べる。 分類法はfスコアが91.45%であり, 報告症例の根本的真実と非常によく一致している。 本研究は,デング感染率の低減により多くの介入努力が必要である地域を,デング感染と介入関連ニュースに基づいて同定した。 このプロジェクトのデモは以下の通りである。

Dengue fever has been considered to be one of the global public health problems of the twenty-first century, especially in tropical and subtropical countries of the global south. The high morbidity and mortality rates of Dengue fever impose a huge economic and health burden for middle and low-income countries. It is so prevalent in such regions that enforcing a granular level of surveillance is quite impossible. Therefore, it is crucial to explore an alternative cost-effective solution that can provide updates of the ongoing situation in a timely manner. In this paper, we explore the scope and potential of a local newspaper-based dengue surveillance system, using well-known data-mining techniques, in Bangladesh from the analysis of the news contents written in the native language. In addition, we explain the working procedure of developing a novel database, using human-in-the-loop technique, for further analysis, and classification of dengue and its intervention-related news. Our classification method has an f-score of 91.45%, and matches the ground truth of reported cases quite closely. Based on the dengue and intervention-related news, we identified the regions where more intervention efforts are needed to reduce the rate of dengue infection. A demo of this project can be accessed at: http://erdos.dsm.fordham.edu:3009/
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:07:42
# ポリエイドブレイド作用素と高次ブレイディングゲート

Polyadic braid operators and higher braiding gates ( http://arxiv.org/abs/2107.08789v1 )

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Steven Duplij and Raimund Vogl(参考訳) 新しい種類の量子ゲートである、より高いブレイディングゲートが導入されている。 これらは多進ブレイド方程式(一般化されたヤン・バクスター方程式とは異なる)の行列解である。 このようなゲートは、鍵分布を高速化し、アルゴリズムの実行を高速化する、特別な種類のマルチキュービット絡み合わせをサポートする。 3つのクビット状態に作用する3つのブレイディングゲートを詳細に研究する。 また、量子ビット損失と関係のあるエキゾチックな非可逆ゲートを考え、部分的同一性(直交的)、部分的ユニタリティ、部分有界作用素(非可逆的)を定義する。 星型と円型という2種類の行列を定義し、マジック行列が(カルタン分解と結びついている)星級に属することを発見する。 ここで導入されたクラスの一般代数的構造は、半群、三次群および五次群および加群の観点から記述される。 より高いブレイド群とその高ブレイド作用素による表現が与えられる。 最後に、マルチキュービット状態ごとに、絡み合っていない高いブレイディングゲートが存在し、非絡み合わなければならない具体的条件が議論されるバイナリゲートと三元ゲートに対して与えられることを示す。

Higher braiding gates, a new kind of quantum gate, are introduced. These are matrix solutions of the polyadic braid equations (which differ from the generalized Yang-Baxter equations). Such gates support a special kind of multi-qubit entanglement which can speed up key distribution and accelerate the execution of algorithms. Ternary braiding gates acting on three qubit states are studied in detail. We also consider exotic non-invertible gates which can be related to qubit loss, and define partial identities (which can be orthogonal), partial unitarity, and partially bounded operators (which can be non-invertible). We define two classes of matrices, the star and circle types, and find that the magic matrices (connected with the Cartan decomposition) belong to the star class. The general algebraic structure of the classes introduced here is described in terms of semigroups, ternary and 5-ary groups and modules. The higher braid group and its representation by higher braid operators are given. Finally, we show that for each multi-qubit state there exist higher braiding gates which are not entangling, and the concrete conditions to be non-entangling are given for the binary and ternary gates discussed.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:07:21
# 表面上の量子粒子:カテナリー表面と革命のパラボロイド

Quantum particle on a surface: Catenary surface and Paraboloid of revolution ( http://arxiv.org/abs/2107.05621v2 )

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S. Habib Mazharimousavi(参考訳) 曲面上に閉じ込められた量子粒子の「シュル」{o}ディンガー方程式を再検討する。 R. C. T. da Costa [1] の新たな研究に触発されて、より便利な記法で場方程式が見つかる。 表面上の有効結合電位に対する主曲率の寄与を強調した。 さらに、いわゆるmonge-gauge を用いて、小さなゆらぎを持つ平坦曲面に対する近似 schr\"{o}dinger 方程式を構築する。 最後に、結果のSchr\"{o}dinger方程式は特定の曲面に対して解かれる。 特に、陰極面に閉じ込められた粒子と、回転の放物型粒子の正確な解を与える。

We revisit the Schr\"{o}dinger equation of a quantum particle that is confined on a curved surface. Inspired by the novel work of R. C. T. da Costa [1] we find the field equation in a more convenient notation. The contribution of the principal curvatures in the effective binding potential on the surface is emphasized. Furthermore, using the so-called Monge-Gauge we construct the approximate Schr\"{o}dinger equation for a flat surface with small fluctuations. Finally, the resulting Schr\"{o}dinger equation is solved for some specific surfaces. In particular, we give exact solutions for a particle confined on a Catenary surface and a paraboloid of revolution.
公開日:2021-08-13
翻訳日:2023-03-23 04:07:00
# 閉・開システムの量子最適化のための最適制御

Optimal Control for Closed and Open System Quantum Optimization ( http://arxiv.org/abs/2107.03517v1 )

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Lorenzo Campos Venuti, Domenico D'Alessandro, Daniel A. Lidar(参考訳) 線形結合 $s(t)B+(1-s(t))C$ の2つの非可換ハミルトン群 $B$ と $C$ の設定において、量子最適制御問題の厳密な解析を行う。 これには量子アニール(QA)と量子近似最適化アルゴリズム(QAOA)の両方が含まれる。 目標は、時間依存で有界な制御スケジュール $s(t)\in [0,1]$ と $t\in \mc{i}:= [0,t_f]$ に対する最後の ``problem''' hamiltonian $c$ のエネルギーを最小化することである。 純粋に閉じたシステム設定において、この問題に対する最適解は ``bang-anneal-bang'' スケジュールであり、s(t)= 0$ および $s(t)= 1$ の有限部分インターバル、特に $s(0)=0$ と $s(t_f)=1$ は量子アニーリングの標準代名詞 $s(0)=1$ と $s(t_f)=0$ で特徴づけられる。 ここで、この結果は、システムは純粋な状態ではなく密度行列によって記述されるオープンシステム設定に拡張される。 これはQAとQAOAの実験的な実現の自然な設定である。 有限次元環境や近似のない場合、バン・アンニール、アニール・バン、バン・アンニール・バンのスケジュールが最適であることを保証する十分な条件を特定し、$s(0)=0$と$s(t_f)=1$の最適性を回復する。 しかし、無限次元環境と断熱レッドフィールドマスター方程式によって記述された系では、バング型最適解は取り戻せない。 実際、$s(t_f)=1$の条件のみを識別でき、この結果でさえ完全なマルコフ極限では回復できない。 ポントリャーギン最大原理の幾何学的枠組みの中で完全に実行される解析は、状態ベクトルの定式化と比較して密度行列の定式化を単純化する。

We provide a rigorous analysis of the quantum optimal control problem in the setting of a linear combination $s(t)B+(1-s(t))C$ of two noncommuting Hamiltonians $B$ and $C$. This includes both quantum annealing (QA) and the quantum approximate optimization algorithm (QAOA). The target is to minimize the energy of the final ``problem'' Hamiltonian $C$, for a time-dependent and bounded control schedule $s(t)\in [0,1]$ and $t\in \mc{I}:= [0,t_f]$. It was recently shown, in a purely closed system setting, that the optimal solution to this problem is a ``bang-anneal-bang'' schedule, with the bangs characterized by $s(t)= 0$ and $s(t)= 1$ in finite subintervals of $\mc{I}$, in particular $s(0)=0$ and $s(t_f)=1$, in contrast to the standard prescription $s(0)=1$ and $s(t_f)=0$ of quantum annealing. Here we extend this result to the open system setting, where the system is described by a density matrix rather than a pure state. This is the natural setting for experimental realizations of QA and QAOA. For finite-dimensional environments and without any approximations we identify sufficient conditions ensuring that either the bang-anneal, anneal-bang, or bang-anneal-bang schedules are optimal, and recover the optimality of $s(0)=0$ and $s(t_f)=1$. However, for infinite-dimensional environments and a system described by an adiabatic Redfield master equation we do not recover the bang-type optimal solution. In fact we can only identify conditions under which $s(t_f)=1$, and even this result is not recovered in the fully Markovian limit. The analysis, which we carry out entirely within the geometric framework of Pontryagin Maximum Principle, simplifies using the density matrix formulation compared to the state vector formulation.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:06:49
# qubitsはオブザーバーではない -- no-goの定理

Qubits are not observers -- a no-go theorem ( http://arxiv.org/abs/2107.03513v1 )

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\v{C}aslav Brukner(参考訳) 量子状態に対するリレーショナルアプローチは、量子系の物理的記述は常に何かまたは誰かと相対的であると主張する。 関係量子力学(rqm)では、これは他の量子系、(neo-)copenhagenによる量子論の計測コンテキストへの解釈、qbismにおけるエージェントの信念と相対している。 他の2つの解釈とは対照的に、RQMでは2つの量子系間の相互作用は「測定」として数えられ、「オブザーブ」と「オブザーブド・システム」という用語は任意の系に適用される。 ノーゴー定理(No-go theorem)の形で、RQMでは、観測者に対するシステムの物理的記述は、この用語の従来の意味での観察者に関する知識を表現できないことを示す。 問題は、相対状態がRQMで定義されるべき基底の選択における曖昧さにある。 観測が基本的な役割を果たす量子理論の解釈では、実験的な文脈が望ましい基底を定義するため、問題は発生しない。

The relational approach to quantum states asserts that the physical description of quantum systems is always relative to something or someone. In relational quantum mechanics (RQM) it is relative to other quantum systems, in the (neo-)Copenhagen interpretation of quantum theory to measurement contexts, and in QBism to the beliefs of the agents. In contrast to the other two interpretations, in RQM any interaction between two quantum systems counts as a "measurement", and the terms "observer" and "observed system" apply to arbitrary systems. We show, in the form of a no-go theorem, that in RQM the physical description of a system relative to an observer cannot represent knowledge about the observer in the conventional sense of this term. The problem lies in the ambiguity in the choice of the basis with respect to which the relative states are to be defined in RQM. In interpretations of quantum theory where observations play a fundamental role, the problem does not arise because the experimental context defines a preferred basis.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:06:05
# 児童福祉のケーススタディによる公共セクターのための高精度アルゴリズム意思決定の枠組み

A Framework of High-Stakes Algorithmic Decision-Making for the Public Sector Developed through a Case Study of Child-Welfare ( http://arxiv.org/abs/2107.03487v3 )

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Devansh Saxena, Karla Badillo-Urquiola, Pamela Wisniewski, Shion Guha(参考訳) アルゴリズムは、市民政府や社会全体に浸透し、人間の生活に関する高い視点の決定に使われている。 本稿では,まず,人間-コンピュータ間インタラクション(hci),科学技術研究(sts),公共行政(pa)の分野における異種の作業体を合成することによって,<textit{human discretion}>,<textit{bureaucratic processes}>,<textit{algorithmic decision-making} の複雑な社会技術的相互作用を反映した,公共部門(admaps)に適したアルゴリズム的意思決定の凝集フレームワークを開発した。 そこで我々はADMAPSフレームワークを用いて,米国中西部の約900家族と1300人の子供を対象とする児童福祉機関において,日常生活におけるアルゴリズムの詳細な8ヶ月のエスノグラフィーの質的分析を行った。 全体として、社会生態学の枠組みを中心とした強度に基づくアルゴリズムの結果に焦点を合わせる必要がある。 加えて、アルゴリズムシステムは既存の官僚的プロセスをサポートし、それを置き換えるのではなく、人間の裁量を強化する必要がある。 最後に、アルゴリズムシステムにおける集合的な購入には、実践者および官僚レベルの目標結果に対する信頼が必要である。 本研究は, 児童福祉システムにおいて, より一般的には公共部門において, ハイテイクなアルゴリズムによる意思決定ツールの設計ガイドラインを提案する。 提案手法は,理論的に導出されたADMAPSフレームワークを実証的に検証し,公共セクター向けアルゴリズムの設計に関する実用的決定を体系的に行う上で有用であることを示す。

Algorithms have permeated throughout civil government and society, where they are being used to make high-stakes decisions about human lives. In this paper, we first develop a cohesive framework of algorithmic decision-making adapted for the public sector (ADMAPS) that reflects the complex socio-technical interactions between \textit{human discretion}, \textit{bureaucratic processes}, and \textit{algorithmic decision-making} by synthesizing disparate bodies of work in the fields of Human-Computer Interaction (HCI), Science and Technology Studies (STS), and Public Administration (PA). We then applied the ADMAPS framework to conduct a qualitative analysis of an in-depth, eight-month ethnographic case study of the algorithms in daily use within a child-welfare agency that serves approximately 900 families and 1300 children in the mid-western United States. Overall, we found there is a need to focus on strength-based algorithmic outcomes centered in social ecological frameworks. In addition, algorithmic systems need to support existing bureaucratic processes and augment human discretion, rather than replace it. Finally, collective buy-in in algorithmic systems requires trust in the target outcomes at both the practitioner and bureaucratic levels. As a result of our study, we propose guidelines for the design of high-stakes algorithmic decision-making tools in the child-welfare system, and more generally, in the public sector. We empirically validate the theoretically derived ADMAPS framework to demonstrate how it can be useful for systematically making pragmatic decisions about the design of algorithms for the public sector.
公開日:2021-10-12
翻訳日:2023-03-23 04:05:45
# ラジアル2dイオン結晶のオープンエンドキャップブレードトラップ

An open-endcap blade trap for radial-2D ion crystals ( http://arxiv.org/abs/2107.03471v1 )

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Yuanheng Xie, Jiafeng Cui, Marissa D'Onofrio, A. J. Rasmusson, Stephen W. Howell, Philip Richerme(参考訳) 本研究では,ラジアル2次元(2次元)構造相中のイオン結晶を固定するオープンエンドキャップ無線トラップの設計と実験を行った。 トラップの中心軸は2次元結晶面におけるイオンの部位分解撮像が可能な閉塞を伴わずに保持され、4つのセグメント状ブレード電極によって凝縮電位が提供される。 本稿では,このオープンエンドキャップトラップの実装における設計課題,製造技術,電圧要件について論じる。 最後に、2次元結晶の面内主軸が半径方向にあるように配向した2次元三角形格子に29個のイオンを閉じ込めることにより、その動作を検証する。

We present the design and experimental demonstration of an open-endcap radio frequency trap to confine ion crystals in the radial-two dimensional (2D) structural phase. The central axis of the trap is kept free of obstructions to allow for site-resolved imaging of ions in the 2D crystal plane, and the confining potentials are provided by four segmented blade electrodes. We discuss the design challenges, fabrication techniques, and voltage requirements for implementing this open-endcap trap. Finally, we validate its operation by confining up to 29 ions in a 2D triangular lattice, oriented such that both in-plane principal axes of the 2D crystal lie in the radial direction.
公開日:2021-07-07
翻訳日:2023-03-23 04:05:13
# 単一量子ビット解離による量子位相の学習

Learning quantum phases via single-qubit disentanglement ( http://arxiv.org/abs/2107.03542v3 )

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Zheng An, Chenfeng Cao, Cheng-Qian Xu, D. L. Zhou(参考訳) 物質の相の同定は複雑なプロセスであり、特に量子論では、基底状態の複雑さはシステムサイズとともに指数関数的に増加するように見える。 量子多体系の絡み合いは異なる相における異なる複雑な構造を示す。 異なる絡み合い構造を検出して異なる量子相を区別する自然な方法である。 絡み合い構造の検出に直接的に取り組む方法として、絡み合い構造に関する事実情報を提供することができる。 本研究では, 量子相を同定するアプローチとして, 異なる位相下での絡み合い構造の決定と, イジングスピン鎖系の相の識別という, 根本的に異なるアプローチを踏襲する。 本稿では,RL設計逆アンタングル回路の性能に基づく位相遷移を求めるための強化学習(RL)手法を提案する。 さらに,本手法では局所演算が限定され,量子回路が拡張可能で,大規模システムにも拡張可能である。 本研究では, 横場イジングモデル(TFIM)とXXZモデルにおける量子相転移におけるこの手法の成功例を示す。 さらに、RLエージェントは、TFIMの下での絡み合い構造のクラマース・ワニエ双対性を学ぶ。 この研究は、量子多体系の絡み合い構造で量子相を特徴づけることに光を当てる。

Identifying phases of matter is a complicated process, especially in quantum theory, where the complexity of the ground state appears to rise exponentially with system size. The entanglement of quantum many-body systems exhibits different complex structures in different phases. It is a natural way to distinguish different quantum phases by detecting different entanglement structures. As a method that works directly on the detection of the entanglement structure, disentanglement can provide factual information on the entanglement structure. In this work, we follow a radically different approach to identifying quantum phases: we utilize disentanglement to determine the entanglement structures under different phases to distinguish the phases of Ising spin chain systems. Here, we propose a reinforcement learning (RL) approach to finding phase transitions based on the performance of the RL-designed disentangling circuit. Further, our method uses limited local operations and one qubit measurement, making the quantum circuit scalable and easily extended to large-sized systems. We demonstrate the success of this method on the quantum phase transition in the transverse field Ising model (TFIM) and the XXZ model. Moreover, we find that the RL agent learns the Kramers-Wannier duality on entanglement structures under the TFIM. This study sheds light on characterizing quantum phases with the entanglement structures of quantum many-body systems.
公開日:2022-01-11
翻訳日:2023-03-23 02:21:44
# 量子マイクロ波回路を用いたAl-InAs界面における$p \pm ip$ペアリングの検出

Detecting induced $p \pm ip$ pairing at the Al-InAs interface with a quantum microwave circuit ( http://arxiv.org/abs/2107.03695v3 )

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D. Phan and J. Senior and A. Ghazaryan and M. Hatefipour and W. M. Strickland and J. Shabani and M. Serbyn and A. P. Higginbotham(参考訳) 超伝導体-半導体ハイブリッドデバイスは、量子情報処理へのいくつかの提案の核心にあるが、基本的な特性は分かっていない。 2次元Al-InAsハイブリッド系を共振マイクロ波回路に埋め込み,印加磁場による超伝導の破壊を予測した。 ハイブリッドシステムの2成分の性質から強い指紋が得られ、inasにおけるバンド内$p \pm i p$ペアリングの寄与、磁場によるボゴリューボフ-フェルミ表面の出現などを含む理論と定量的に比較した。 AlおよびInAsのコントリビューションを分離して解決することで、InAsのキャリア密度とモビリティを決定することができる。

Superconductor-semiconductor hybrid devices are at the heart of several proposed approaches to quantum information processing, but their basic properties remain to be understood. We embed a two-dimensional Al-InAs hybrid system in a resonant microwave circuit, probing the breakdown of superconductivity due to an applied magnetic field. We find a strong fingerprint from the two-component nature of the hybrid system, and quantitatively compare with a theory that includes the contribution of intraband $p \pm i p$ pairing in the InAs, as well as the emergence of Bogoliubov-Fermi surfaces due to magnetic field. Separately resolving the Al and InAs contributions allows us to determine the carrier density and mobility in the InAs.
公開日:2022-05-11
翻訳日:2023-03-23 02:19:55
# ハイブリッドグラフェン-スーパーコンダクタフォトニック集積回路を用いたアクティブテラヘルツ変調器と低速光メタマテリアルデバイス

Active terahertz modulator and slow light metamaterial devices with hybrid graphene-superconductor photonic integrated circuits ( http://arxiv.org/abs/2107.03677v1 )

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Samane Kalhor, Stephan J. Kindness, Robert Wallis, Harvey E. Beere, Majid Ghanaatshoar, Riccardo Degl'Innocenti, Michael J. Kelly, Stephan Hofmann, Charles G. Smith, Hannah J. Joyce, David A. Ritchie, and Kaveh Delfanazari(参考訳) テラヘルツ(THz)光を変調・減速できるハイブリッドグラフェン-超伝導結合スプリットリング共振器(SRR)のアレイを有するメタマテリアルフォトニック集積回路を提案し,提案する。 電磁誘導透過(EIT)やグループ遅延などのハイブリッドデバイス光応答は、いくつかの方法で変調することができる。 まず、グラフェンの導電率とキャリア濃度を変化させて電気的に変調する。 また、Nbの遷移温度(Tc)以下の損失常相から低損失量子力学的相にNbを切り替えることにより、デバイス温度感度に作用させることで、光学応答を変更することができる。 thz伝送窓のeitおよびグループ遅延に対して、最大変調深さ57.3%および97.61%を達成する。 Nb-グラフェン-Nb結合SRR系デバイスとAu-グラフェン-Au SRR系デバイスとの比較を行い, Nbが量子力学的相にある場合, THz伝送, グループ遅延, EIT応答の顕著な増強を行った。 これらのハイブリッドデバイスは、チップスケールの量子通信や量子処理への応用のために、アクティブな光電子変調器、フィルタ、位相シフト器、および遅い光デバイスを実現するための道を開く。

Metamaterial photonic integrated circuits with arrays of hybrid graphene-superconductor coupled split-ring resonators (SRR) capable of modulating and slowing down terahertz (THz) light are introduced and proposed. The hybrid device optical responses, such as electromagnetic induced transparency (EIT) and group delay, can be modulated in several ways. First, it is modulated electrically by changing the conductivity and carrier concentrations in graphene. Alternatively, the optical response can be modified by acting on the device temperature sensitivity, by switching Nb from a lossy normal phase to a low-loss quantum mechanical phase below the transition temperature (Tc) of Nb. Maximum modulation depths of 57.3 % and 97.61 % are achieved for EIT and group delay at the THz transmission window, respectively. A comparison is carried out between the Nb-graphene-Nb coupled SRR-based devices with those of Au-graphene-Au SRRs and a significant enhancement of the THz transmission, group delay, and EIT responses are observed when Nb is in the quantum mechanical phase. Such hybrid devices with their reasonably large and tunable slow light bandwidth pave the way for the realization of active optoelectronic modulators, filters, phase shifters, and slow light devices for applications in chip-scale quantum communication and quantum processing.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:19:41
# 光機械システムにおけるレーザー位相ノイズの抑制

Suppressing laser phase noise in an optomechanical system ( http://arxiv.org/abs/2107.03652v1 )

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Yexiong Zeng, Biao Xiong, and Chong Li(参考訳) 光学的単光子結合強度を増大させることなくレーザ位相雑音を抑制する手法を提案する。 このスキームでは、カーとダッフィングの非線形性によって生成されるパラメトリック増幅項は、それぞれレーザー位相ノイズを抑え、有効オプティメカルカップリングを強化することができる。 興味深いことに、レーザー位相ノイズの低減は、広帯域の真空環境をもたらすことで、熱雑音の増加につながる。 本手法の優位性を反映するため,量子記憶と定常光学的絡み合いを例としてシミュレーションし,レーザー位相雑音が極端に抑制されていることを示す。 我々の方法では他の量子現象を研究することができる。

We propose a scheme to suppress the laser phase noise without increasing the optomechanical single-photon coupling strength. In the scheme, the parametric amplification terms, created by Kerr and Duffing nonlinearities, can restrain laser phase noise and strengthen the effective optomechanical coupling, respectively. Interestingly, decreasing laser phase noise leads to increasing thermal noise, which is inhibited by bringing in a broadband-squeezed vacuum environment. To reflect the superiority of the scheme, we simulate quantum memory and stationary optomechanical entanglement as examples, and the corresponding numerical results demonstrate that the laser phase noise is extremely suppressed. Our method can pave the way for studying other quantum phenomena.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:19:16
# 組合せ最適化問題におけるIBM量子コンピューティングデバイスの性能に関する研究

An investigation of IBM Quantum Computing device performance on Combinatorial Optimisation Problems ( http://arxiv.org/abs/2107.03638v3 )

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Maxine T. Khumalo, Hazel A. Chieza, Krupa Prag and Matthew Woolway(参考訳) 論文では,$\mathcal{NP}$-Hard Combinatorial Optimisation Problems (COP)の解決における決定論的解の抽出可能性について報告する。 この困難を克服する1つのメカニズムは、効率的なCOP非決定論的アプローチを使用することである。 しかし、量子技術の出現に伴い、このトラクタビリティの限界を克服する現代のデバイスの可能性は探索を必要とする。 本稿では,古典的および量子的最適化アルゴリズムの性能を,トラベリングセールスマン問題 (TSP) と擬似アサインメント問題 (QAP) の2つの一般的なCOPを解くために近似する。 2つの古典的最適化手法であるブランチ・アンド・バウンド (BNB) とシミュレート・アニーリング (SA) を、変分量子固有解法 (VQE) と量子近似最適化法 (QAOA) と比較した。 これらのアルゴリズムは、それぞれ古典的なデバイスとIBMのNoisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) デバイスで実行される。 我々は,それぞれの技術やアルゴリズムのCOP問題を符号化し,NISQデバイスに計算エンコーディングを提供した。 実験結果から,現在利用可能なNISQデバイスよりも優れた性能を示し,文献の知見と一致し,拡張していることがわかった。 さらに,計算時間,実現可能性,ソリューション品質に関する2つのアプローチをよりよく比較するために,追加のパフォーマンス指標を導入する。 以上の結果から,vqeはqaoaよりも優れた性能を示すとともに,要求される操作数の増加によるものであると推測した。 さらに,新しい基底ゲートセットが量子最適化技術に与える影響について検討し,その結果に顕著な改善が見られないことを示す。 最後に、最先端のNISQ IBM量子デバイスが抱える欠点を提示し、今後の研究と調査について論じる。

The intractability of deterministic solutions in solving $\mathcal{NP}$-Hard Combinatorial Optimisation Problems (COP) is well reported in the literature. One mechanism for overcoming this difficulty has been the use of efficient COP non-deterministic approaches. However, with the advent of quantum technology, these modern devices' potential to overcome this tractability limitation requires exploration. This paper juxtaposes classical and quantum optimisation algorithms' performance to solve two common COP, the Travelling Salesman Problem (TSP) and the Quadratic Assignment Problem (QAP). Two accepted classical optimisation methods, Branch and Bound (BNB) and Simulated Annealing (SA), are compared to two quantum optimisation methods, Variational Quantum Eigensolver (VQE) algorithm and Quantum Approximate Optimisation Algorithm (QAOA). These algorithms are respectively executed on both classical devices and IBM's suite of Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) devices. We have encoded the COP problems for the respective technologies and algorithms and provided the computational encodings for the NISQ devices. Our experimental results show that current classical devices significantly outperform the presently available NISQ devices, which agrees and extends with findings in the literature. Further, we introduce additional performance metrics to better compare the two approaches concerning computational time, feasibility and solution quality. Our results show that the VQE performs better than QAOA for these metrics, and we infer that this is due to the increased number of operations required. Additionally, we investigate the impact of a new set of basis gates on the quantum optimisation techniques and show they yield no notable improvement in the results. Finally, we present the shortcomings of state-of-the-art NISQ IBM quantum devices and argue for potential future work and investigation.
公開日:2022-04-22
翻訳日:2023-03-23 02:19:02
# 画像分類のための量子畳み込みニューラルネットワーク

A Quantum Convolutional Neural Network for Image Classification ( http://arxiv.org/abs/2107.03630v2 )

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Yanxuan L\"u, Qing Gao, Jinhu L\"u, Maciej Ogorza{\l}ek, Jin Zheng(参考訳) ニューラルネットワークは、画像認識からビデオ理解まで、多くの分野で大きな成功を収めています。 しかしながら、コンピューティングとメモリリソースに対する高い要求は、ビッグデータを高次元で処理する上でのさらなる開発を制限している。 近年、量子コンピューティングの進歩は、量子プロセッサ上でニューラルネットワークを構築することがこの問題の潜在的な解決策であることを示している。 本稿では、量子システムの計算能力を利用して古典的機械学習タスクを高速化することを目的とした、量子畳み込みニューラルネットワーク(qcnn)と呼ばれる新しいニューラルネットワークモデルを提案する。 設計されたQCNNは実装可能な量子回路に基づいており、古典的な畳み込みニューラルネットワークと同様の構造を持つ。 MNISTデータセットの数値シミュレーションにより,本モデルの有効性が示された。

Artificial neural networks have achieved great success in many fields ranging from image recognition to video understanding. However, its high requirements for computing and memory resources have limited further development on processing big data with high dimensions. In recent years, advances in quantum computing show that building neural networks on quantum processors is a potential solution to this problem. In this paper, we propose a novel neural network model named Quantum Convolutional Neural Network (QCNN), aiming at utilizing the computing power of quantum systems to accelerate classical machine learning tasks. The designed QCNN is based on implementable quantum circuits and has a similar structure as classical convolutional neural networks. Numerical simulation results on the MNIST dataset demonstrate the effectiveness of our model.
公開日:2021-08-04
翻訳日:2023-03-23 02:18:30
# シンクレーザーを用いた単純・損失耐性自由空間QKD

Simple and loss-tolerant free-space QKD using a squeezed laser ( http://arxiv.org/abs/2107.03629v1 )

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Nedasadat Hosseinidehaj, Matthew S. Winnel, Timothy C. Ralph(参考訳) 我々は,従来のCVQKDプロトコルよりもシンプルで堅牢な,連続可変(CV)量子鍵分布(QKD)プロトコルを自由空間チャネル上で検討する。 明るいレーザーを使用し、振幅四倍子を絞って変調し、自己ホモダイン検出を行う。 我々は,視覚線を古典的に監視してアクティブな盗聴者を検出するシナリオを検討し,受動的盗聴者を想定する。 この仮定では、構成可能な有限サイズシステムにおけるQKDプロトコルのセキュリティを分析する。 圧縮レーザのショットノイズレベルへの適正な変調は、盗聴者への情報漏えいを完全に排除し、振幅二次におけるチャネルの乱流誘起ノイズを除去できる。 これらの条件下では、盗聴者の情報の推定はもはや不要である。 このプロトコルは変調ノイズと高損失耐性に非常に強いため、衛星ベースの連続可変量子通信の候補として期待できる。

We consider a continuous-variable (CV) quantum key distribution (QKD) protocol over free-space channels, which is simpler and more robust than typical CV QKD protocols. It uses a bright laser, squeezed and modulated in the amplitude quadrature, and self-homodyne detection. We consider a scenario, where the line of sight is classically monitored to detect active eavesdroppers, so that we can assume a passive eavesdropper. Under this assumption, we analyse security of the QKD protocol in the composable finite-size regime. Proper modulation of the squeezed laser to the shot-noise level can completely eliminate information leakage to the eavesdropper and also eliminate the turbulence-induced noise of the channel in the amplitude quadrature. Under these conditions, estimation of the eavesdropper's information is no longer required. The protocol is extremely robust to modulation noise and highly loss-tolerant, which makes it a promising candidate for satellite-based continuous-variable quantum communication.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:18:20
# 逆量子特異点を持つスパイクド等方振動子の有界状態に対する有限級数表現

Finite series representation for the bound states of a spiked isotropic oscillator with inverse-quartic singularity ( http://arxiv.org/abs/2107.03627v2 )

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A. D. Alhaidari(参考訳) 逆四進特異性を持つスパイク発振器とすべての角モーメントに対する3次元ラジアルschr\"odinger方程式の厳密解を得るために三対角表現法を用いる。 解は、ベッセル多項式の項で書かれる正方可積分関数の有限級数である。

We use the tridiagonal representation approach to obtain an exact solution of the three-dimensional radial Schr\"odinger equation for a spiked oscillator with inverse quartic singularity and for all angular momenta. The solution is a finite series of square integrable functions written in terms of the Bessel polynomial.
公開日:2021-07-19
翻訳日:2023-03-23 02:18:04
# 古典的および量子古典的システムに対するガリレイ群の射影表現

Projective representation of the Galilei group for classical and quantum-classical systems ( http://arxiv.org/abs/2107.03623v2 )

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A.D. Berm\'udez Manjarres(参考訳) ガリレイ群の物理的に関係のないユニタリ非射影表現は、古典力学のクープマン・ヴォン・ノイマンの定式化において可能である。 この古典的な表現はガリレイ環の中心電荷の消滅によって特徴づけられる。 これは質量が中心電荷の役割を担う量子の場合とは対照的である。 ここでは、直構成により、古典力学は、質量が代数の中心電荷であるガリレイ群の射影表現も可能であることを示す。 結果をある種の量子古典ハイブリッドシステムに拡張する。

A physically relevant unitary irreducible non-projective representation of the Galilei group is possible in the Koopman-von Neumann formulation of classical mechanics. This classical representation is characterized by the vanishing of the central charge of the Galilei algebra. This is in contrast to the quantum case where the mass plays the role of the central charge. Here we show, by direct construction, that classical mechanics also allows for a projective representation of the Galilei group where the mass is the central charge of the algebra. We extend the result to certain kind of quantum-classical hybrid systems.
公開日:2023-02-23
翻訳日:2023-03-23 02:17:57
# 付随する幾何相進化に対する光波非定常効果

The effects of light-wave nonstaticity on accompanying geometric-phase evolutions ( http://arxiv.org/abs/2107.03622v1 )

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Jeong Ryeol Choi(参考訳) 量子力学は、電磁パラメータが時間とともに変化しない透明な媒体においても、フォック状態の非静電量子光波の出現を可能にする。 このような波のパケットは、二次空間において周期的に幅が広く狭くなる。 静的環境下で発生する波の非定常性がフォック状態における幾何学的位相の挙動に及ぼす影響について検討した。 この場合、幾何学的な位相は非定常性の測度がゼロではなく、その時間的挙動が非静性の測度と深く関係している場合にのみ現れる。 動的相は時間とともに線形に減少するが、幾何相は振動中心が線形に増加する幾何振動挙動を示す。 特に、非定常性の測度が十分に高い場合、幾何相は、二次空間において波が狭くなると突然変化する。 非定常光波の位相変化の理解は、その波変調に関する技術応用において必要である。

Quantum mechanics allows the emergence of nonstatic quantum light waves in the Fock state even in a transparent medium of which electromagnetic parameters do not vary over time. Such wave packets become broad and narrow in turn periodically in time in the quadrature space. We investigate the effects of wave nonstaticity arisen in a static environment on the behavior of accompanying geometric phases in the Fock states. In this case, the geometric phases appear only when the measure of nonstaticity is not zero and their time behavior is deeply related to the measure of nonstaticity. While the dynamical phases undergo linear decrease over time, the geometric phases exhibit somewhat oscillatory behavior where the center of oscillation linearly increases. In particular, if the measure of nonstaticity is sufficiently high, the geometric phases abruptly change whenever the waves become narrow in the quadrature space. The understanding for the phase evolution of nonstatic light waves is necessary in their technological applications regarding wave modulations.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:17:48
# CTM/Zeta対応

CTM/Zeta Correspondence ( http://arxiv.org/abs/2107.03590v4 )

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Takashi Komatsu, Norio Konno, Iwao Sato(参考訳) 本研究では,ゼータ関数とランダムウォークを含む離散時間モデルとの関係について検討した。 本稿では,連続時間モデル(CTM)のゼータ関数を導入し,対応するd次元トーラス上のランダムおよび量子ウォークを含むCTMについて考察する。

In our previous work, we investigated the relation between zeta functions and discrete-time models including random and quantum walks. In this paper, we introduce a zeta function for the continuous-time model (CTM) and consider CTMs including the corresponding random and quantum walks on the d-dimensional torus.
公開日:2022-03-16
翻訳日:2023-03-23 02:17:36
# リモートワークのプリ・アンド・ポスト・コビド-19 : セキュリティとプライバシに対する新たな脅威とリスクの分析

Remote Working Pre- and Post-COVID-19: An Analysis of New Threats and Risks to Security and Privacy ( http://arxiv.org/abs/2107.03907v1 )

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Jason R. C. Nurse and Nikki Williams and Emily Collins and Niki Panteli and John Blythe and Ben Koppelman(参考訳) 新型コロナウイルス(covid-19)は、私たちが知っているように社会を大きく変えた。 新型コロナウイルスの感染拡大を抑えるため、世界中の何百万人もの人がリモートで働き、しばしばメイクシフトのホームオフィスで働き、新しい不慣れなデジタル技術を使っていました。 本稿では,新型コロナウイルス感染拡大に伴うリモートワークによるサイバーセキュリティとプライバシの懸念を分析する。 当社の作業を通じて,この期間の現実性から,一連のセキュリティリスクが浮上していることが分かりました。 例えば、リモートワークのセキュリティトレーニングの欠如、ストレスと不安の高まり、技術展開の急激さ、およびリモートワーク環境(フラットシェアなど)における信頼できない個人の存在は、新たなサイバーリスクをもたらす可能性がある。 同時に、組織がリモートワークによって引き起こされるこれらのリスクを管理しようとすると、従業員のプライバシ(個人情報や活動を含む)はしばしば侵害される。 これはリモートワークプレース監視、管理、監視技術の導入において明らかである。 このような技術は、いくつかのプライバシーと倫理的問題を引き起こし、今後セキュリティとプライバシーの間の緊張をさらに強調する。

COVID-19 has radically changed society as we know it. To reduce the spread of the virus, millions across the globe have been forced to work remotely, often in make-shift home offices, and using a plethora of new, unfamiliar digital technologies. In this article, we critically analyse cyber security and privacy concerns arising due to remote working during the coronavirus pandemic. Through our work, we discover a series of security risks emerging because of the realities of this period. For instance, lack of remote-working security training, heightened stress and anxiety, rushed technology deployment, and the presence of untrusted individuals in a remote-working environment (e.g., in flatshares), can result in new cyber-risk. Simultaneously, we find that as organisations look to manage these and other risks posed by their remote workforces, employee's privacy (including personal information and activities) is often compromised. This is apparent in the significant adoption of remote workplace monitoring, management and surveillance technologies. Such technologies raise several privacy and ethical questions, and further highlight the tension between security and privacy going forward.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:11:31
# アクティブスピンクラスターによるデコヒーレンス効果下での量子情報の揺らぎのダイナミクス

Dynamics of quantum information scrambling under decoherence effects measured via active spins clusters ( http://arxiv.org/abs/2107.03870v2 )

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Federico D. Dom\'inguez and Gonzalo A. \'Alvarez(参考訳) 量子技術の開発には、多体系における量子情報の非平衡ダイナミクスの制御と理解が必要である。 局所的な情報伝達は、情報スクランブルとして知られる複雑な相関を生成し、局所的な測定から情報を抽出することを防ぐ。 本研究では,固体NMR法を応用したモデルを構築し,情報スクランブルの定量化を行う。 スクランブルは時間反転ロスシュミットエコー(le)と、本質的に不完全を含む複数の量子コヒーレンス実験によって測定される。 これらの不完全性を考慮すると、情報の拡散したアクティブスピン数に基づいて、観測可能な情報のスクランブルを定量化するために、時間外相関器(OTOC)の式を導出する。 OTOC式に基づいて、LE実験における非反転項の影響により脱コヒーレンス効果が自然に生じる。 デコヒーレンスは測定可能な情報の局所化を誘導する。 これらの効果は、動的平衡を決定するアクティブスピンの観測可能な数に対する局在クラスターサイズを定義する。 モデル予測と固体nmr実験による量子シミュレーションを対比し,不完全性を考慮した時間反転エコーを用いた情報スクランブル計測を行った。 量子情報スクランブルの動力学と実験データから求めた局所化効果との優れた定量的一致が得られた。 提案したモデルと導出OTOCセットは、本質的に不完全性を含む実験的な実装と整合した大規模な量子系の量子情報力学を定量化するためのツールである。

Developing quantum technologies requires the control and understanding of the non-equilibrium dynamics of quantum information in many-body systems. Local information propagates in the system by creating complex correlations known as information scrambling, as this process prevents extracting the information from local measurements. In this work, we develop a model adapted from solid-state NMR methods, to quantify the information scrambling. The scrambling is measured via time-reversal Loschmidt echoes (LE) and Multiple Quantum Coherences experiments that intrinsically contain imperfections. Considering these imperfections, we derive expressions for out-of-time-order correlators (OTOCs) to quantify the observable information scrambling based on measuring the number of active spins where the information was spread. Based on the OTOC expressions, decoherence effects arise naturally by the effects of the nonreverted terms in the LE experiment. Decoherence induces localization of the measurable degree of information scrambling. These effects define a localization cluster size for the observable number of active spins that determines a dynamical equilibrium. We contrast the model's predictions with quantum simulations performed with solid-state NMR experiments, that measure the information scrambling with time-reversal echoes with controlled imperfections. An excellent quantitative agreement is found with the dynamics of quantum information scrambling and its localization effects determined from the experimental data. The presented model and derived OTOCs set tools for quantifying the quantum information dynamics of large quantum systems (more than $10^{4}$ spins) consistent with experimental implementations that intrinsically contain imperfections.
公開日:2021-12-03
翻訳日:2023-03-23 02:11:13
# コヒーレンスを介するコヒーレンス駆動単一量子ドットに結合したキャビティフィールドのスクイーズ

Coherence-mediated squeezing of cavity field coupled to a coherently driven single quantum dot ( http://arxiv.org/abs/2107.03849v2 )

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Parvendra Kumar and Agnikumar G. Vedeshwar(参考訳) コヒーレンスは、量子論から量子情報まで、多くの量子物理学の応用において重要な資源であり続けている。 ここでは、コヒーレント駆動単一量子ドットに結合したキャビティ場のスクイーズにおける最大コヒーレンス結果の理論的研究を報告する。 我々は最近開発されたポーラロンマスター方程式理論を用いて,エクシトン-フォノン結合がスクイーズに与える影響を正確に把握した。

Coherence has been remaining a key resource for numerous applications of quantum physics ranging from quantum metrology to quantum information. Here, we report a theoretical work on how maximally created coherence results in the squeezing of cavity field coupled to a coherently driven single quantum dot. We employ a recently developed polaron master equation theory for accurately incorporating the impact of exciton-phonon coupling on squeezing.
公開日:2021-07-18
翻訳日:2023-03-23 02:10:45
# 実装可能なハイブリッド量子アントコロニー最適化アルゴリズム

Implementable Hybrid Quantum Ant Colony Optimization Algorithm ( http://arxiv.org/abs/2107.03845v2 )

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Mikel Garcia de Andoin and Javier Echanobe(参考訳) 古典的アントコロニー最適化アルゴリズムに基づく新しいハイブリッド量子アルゴリズムを提案し,np-hard問題の近似解,特に最適化問題を生成する。 まず,先述した量子antコロニー最適化アルゴリズムについて検討し,それに基づいて,近距離量子コンピュータに真に実装可能な改良アルゴリズムを開発した。 我々の反復アルゴリズムは、量子状態におけるフェロモンと探索パラメータに関する情報のみを符号化し、計算結果を古典的なコンピュータにサブロゲートする。 量子計算能力を活用し、状態の重ね合わせとして新たな可能な解を生成するために、新しいガイド付き探索戦略が用いられる。 このアプローチは制約のある最適化問題を解くのに特に有用であり、状態の測定の前に解への経路の対応を確認することなく、新しい経路の探索を効率的に行うことができる。 NPハード問題の一例として、擬似代入問題の解法を選択する。 ノイズのない量子回路をシミュレートしたベンチマークとibm量子コンピュータによる実験はアルゴリズムの有効性を示している。

We propose a new hybrid quantum algorithm based on the classical Ant Colony Optimization algorithm to produce approximate solutions for NP-hard problems, in particular optimization problems. First, we discuss some previously proposed Quantum Ant Colony Optimization algorithms, and based on them, we develop an improved algorithm that can be truly implemented on near-term quantum computers. Our iterative algorithm codifies only the information about the pheromones and the exploration parameter in the quantum state, while subrogating the calculation of the numerical result to a classical computer. A new guided exploration strategy is used in order to take advantage of the quantum computation power and generate new possible solutions as a superposition of states. This approach is specially useful to solve constrained optimization problems, where we can implement efficiently the exploration of new paths without having to check the correspondence of a path to a solution before the measurement of the state. As an example of a NP-hard problem, we choose to solve the Quadratic Assignment Problem. The benchmarks made by simulating the noiseless quantum circuit and the experiments made on IBM quantum computers show the validity of the algorithm.
公開日:2021-11-26
翻訳日:2023-03-23 02:10:35
# 駆動散逸型量子反強磁性体における非平衡相転移

Nonequilibrium phase transition in a driven-dissipative quantum antiferromagnet ( http://arxiv.org/abs/2107.03841v3 )

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Mona H. Kalthoff, Dante M. Kennes, Andrew J. Millis, Michael A. Sentef(参考訳) 駆動拡散相互作用系とその非平衡相転移のより深い理論的理解は、基礎物理学の理解を進め、光学的に制御された量子多体状態から生じる技術的機会を活用するために必要不可欠である。 本稿では,原型2次元ハイゼンベルク反強磁性体の非平衡定常状態における動的相とそれらの遷移に関する数値的研究を行う。 低速でのマグノン分布の質的変化を特徴とし、低速でのサブサーマルから高駆動での非バナッシブ凝縮分数を含む一般化されたボース=アインシュタイン形式までを特徴とする非熱遷移を示す。 有限サイズ解析では、遷移点での静的および動的臨界スケーリングが示され、マグノン数の不連続な傾斜と駆動場強度、遷移点における臨界減速が示される。 量子材料と偏光子凝縮物に関する実験について考察する。

A deeper theoretical understanding of driven-dissipative interacting systems and their nonequilibrium phase transitions is essential both to advance our fundamental physics understanding and to harness technological opportunities arising from optically controlled quantum many-body states. This paper provides a numerical study of dynamical phases and the transitions between them in the nonequilibrium steady state of the prototypical two-dimensional Heisenberg antiferromagnet with drive and dissipation. We demonstrate a nonthermal transition that is characterized by a qualitative change in the magnon distribution, from subthermal at low drive to a generalized Bose-Einstein form including a nonvanishing condensate fraction at high drive. A finite-size analysis reveals static and dynamical critical scaling at the transition, with a discontinuous slope of the magnon number versus driving field strength and critical slowing down at the transition point. Implications for experiments on quantum materials and polariton condensates are discussed.
公開日:2022-04-20
翻訳日:2023-03-23 02:10:19
# 一次元量子ドットにおけるフェルミオンの空間的絡み合い

Spatial entanglement of fermions in one-dimensional quantum dots ( http://arxiv.org/abs/2107.03834v1 )

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Ivan P. Christov(参考訳) フェルミオンに対する時間依存量子モンテカルロ法を導入し、スピン偏極およびスピン補償電子配置を持つ1次元量子ドットにおける電子の絡み合いの計算に応用した。 この方法で提供される波動関数の豊富な統計により、各電子の密度行列を小さくし、電子を同一または区別可能な粒子として扱うことで量子エントロピーなどの測度を用いて空間的絡み合いを定量化することができる。 並列スピン配置における空間的絡み合いは比較的小さく、主に基底状態によって導入された量子非局所性によって決定される。 対照的にスピン補償の場合、最も外側の反対スピン電子はボソンのように相互作用し、内殻電子はハーツリー・フォック幾何学のままである。 この結果と数値的正確性は一致しており, いずれに比較も可能である。

The time dependent quantum Monte Carlo method for fermions is introduced and applied for calculation of entanglement of electrons in one-dimensional quantum dots with several spin-polarized and spin-compensated electron configurations. The rich statistics of wave functions provided by the method allows one to build reduced density matrices for each electron and to quantify the spatial entanglement using measures such as quantum entropy by treating the electrons as identical or distinguishable particles. Our results indicate that the spatial entanglement in parallel-spin configurations is rather small and it is determined mostly by the quantum nonlocality introduced by the ground state. By contrast, in the spin-compensated case the outermost opposite-spin electrons interact like bosons which prevails their entanglement, while the inner shell electrons remain largely at their Hartree-Fock geometry. Our findings are in a close correspondence with the numerically exact results, wherever such comparison is possible.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:10:04
# ネーター対称性,運動の動的定数,およびスペクトル生成代数

Noether Symmetries, Dynamical Constants of Motion, and Spectrum Generating Algebras ( http://arxiv.org/abs/2107.03831v1 )

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Daddy Balondo Iyela (Univ. Kinshasa, UNIKIN, DRC) and Jan Govaerts (CP3, Univ. cath. Louvain, UCLouvain, Louvain-la-Neuve, Belgium)(参考訳) ネーターの最初の定理に基づく力学系の対称性の結果について論じるとき、古典的あるいは量子力学に関するほとんどの標準教科書は、大域的連続リー対称性は、その対称性の位相空間上の作用の生成である時間独立保存ネーター電荷の存在を暗示し、必然的にハミルトニアンと交換しなければならないという結論を提示する。 しかし、これは必ずしもそうである必要はなく、またその主張はネーターの最初の定理の完全な範囲と到達範囲に対して公正である。 位相空間上の観測可能な可観測電荷として対応するネーター電荷は、実際には明示的な時間依存性を持ち、かつ、非有界なハミルトニアンとの交換子を持つことで運動の定数を定義することができる。 さらに、ハミルトニアンの定式化内では、逆のステートメントも有効であり、運動の任意の力学定数は必ずしもシステムの作用をある種の全時間微分寄与まで不変にするある種の対称性のネーターチャーである。 この貢献は、これらの異なる点とその結果を再検討し、そのような問題に最も適したハミルトンの定式化の中に至るところにある。 明示的なイラストは3つの一般的なシステムクラスを通しても提供されます。

When discussing consequences of symmetries of dynamical systems based on Noether's first theorem, most standard textbooks on classical or quantum mechanics present a conclusion stating that a global continuous Lie symmetry implies the existence of a time independent conserved Noether charge which is the generator of the action on phase space of that symmetry, and which necessarily must as well commute with the Hamiltonian. However this need not be so, nor does that statement do justice to the complete scope and reach of Noether's first theorem. Rather a much less restrictive statement applies, namely that the corresponding Noether charge as an observable over phase space may in fact possess an explicit time dependency, and yet define a constant of the motion by having a commutator with the Hamiltonian which is nonvanishing, thus indeed defining a dynamical conserved quantity. Furthermore, and this certainly within the Hamiltonian formulation, the converse statement is valid as well, namely that any dynamical constant of motion is necessarily the Noether charge of some symmetry leaving the system's action invariant up to some total time derivative contribution. The present contribution revisits these different points and their consequences, straightaway within the Hamiltonian formulation which is the most appropriate for such issues. Explicit illustrations are also provided through three general but simple enough classes of systems.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:09:45
# 任意の次元におけるディラック・クーロン・ハミルトニアンの正則族

Holomorphic family of Dirac-Coulomb Hamiltonians in arbitrary dimension ( http://arxiv.org/abs/2107.03785v3 )

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Jan Derezi\'nski and B{\l}a\.zej Ruba(参考訳) d_{\omega,\lambda}:=\begin{bmatrix}-\frac{\lambda+\omega}{x}&-\partial_x \\ \partial_x & -\frac{\lambda-\omega}{x}\end{bmatrix}$ という形の半直線上の無質量1次元ディラック・クーロン・ハミルトニアンについて研究する。 ヒルベルト空間 $L^2(\mathbb R_+,\mathbb C^2)$ の意味においてそれらの閉実現を記述し、パラメータ $\lambda,\omega$ の複素値を可能にする。 物理的状況では、$\lambda$ は電荷に比例し、$\omega$ は角運動量に関係している。 我々は、$D_{\omega,\lambda}$次数 1$ の同質性の実現に焦点を当てる。 それらは、ある2次元複素多様体によってパラメトリ化された閉作用素の単一の正則族に構成できる。 これらの実現のスペクトルと数値範囲について述べる。 ウィテカー関数の項でそれらの分解子の積分核に対して明示的な公式を与える。 また、それらの定常散乱理論を記述し、自然対の対角作用素と散乱作用素に対する公式を提供する。 D_{\omega,\lambda}$は次元3のディラック・クーロン作用素の変数の分離後に生じることはよく知られている。 任意の次元においてこれがまだ真である理由を簡単な議論をする。 さらに,球対称ディラック作用素と球面上のディラック作用素との関係と固有プロブレムについて述べる。 我々の作品は、ディラック・クーロン・ハミルトニアンの際立った自己随伴的実現に焦点をあてた大文学に主に動機づけられている。 これらの実現は、ホモモルファスを導く原理とみなすと自然に起こることを示す。 さらに、それらはスケーリング動作の赤外線魅力的な固定点である。 相対論的量子力学の応用の他に、ディラック・クーロン・ハミルトン群はウィテカー函数の研究に自然条件を与えると論じられている。

We study massless 1-dimensional Dirac-Coulomb Hamiltonians, that is, operators on the half-line of the form $D_{\omega,\lambda}:=\begin{bmatrix}-\frac{\lambda+\omega}{x}&-\partial_x \\ \partial_x & -\frac{\lambda-\omega}{x}\end{bmatrix}$. We describe their closed realizations in the sense of the Hilbert space $L^2(\mathbb R_+,\mathbb C^2)$, allowing for complex values of the parameters $\lambda,\omega$. In physical situations, $\lambda$ is proportional to the electric charge and $\omega$ is related to the angular momentum. We focus on realizations of $D_{\omega,\lambda}$ homogeneous of degree $-1$. They can be organized in a single holomorphic family of closed operators parametrized by a certain 2-dimensional complex manifold. We describe the spectrum and the numerical range of these realizations. We give an explicit formula for the integral kernel of their resolvent in terms of Whittaker functions. We also describe their stationary scattering theory, providing formulas for a natural pair of diagonalizing operators and for the scattering operator. It is well-known that $D_{\omega,\lambda}$ arise after separation of variables of the Dirac-Coulomb operator in dimension 3. We give a simple argument why this is still true in any dimension. Furthermore, we explain the relationship of spherically symmetric Dirac operators with the Dirac operator on the sphere and its eigenproblem. Our work is mainly motivated by a large literature devoted to distinguished self-adjoint realizations of Dirac-Coulomb Hamiltonians. We show that these realizations arise naturally if the holomorphy is taken as the guiding principle. Furthermore, they are infrared attractive fixed points of the scaling action. Beside applications in relativistic quantum mechanics, Dirac-Coulomb Hamiltonians are argued to provide a natural setting for the study of Whittaker (or, equivalently, confluent hypergeometric) functions.
公開日:2022-07-05
翻訳日:2023-03-23 02:09:20
# 固有相対論的スピン作用素に関する測定予測について

On the measurement predictions concerning the intrinsic relativistic spin operator ( http://arxiv.org/abs/2107.03739v1 )

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E. R. F. Taillebois and A. T. Avelar(参考訳) 文献には相対論的スピンに関するいくつかの提案があるが、この概念の定義の重要な特徴として本質性を認識することは、そのような量を適切に記述する単一のテンソル作用素を選択する責任がある。 この内在的な定義はウィグナーのスピン作用素とは一致せず、相対論的量子情報理論の文献で広く採用されている定義である。 そこで本質スピンを考慮した予測とウィグナースピンとの差について検討した。 固有スピンを含む測定は、相対論的Stern-Gerlachセットアップにおける電磁場との相互作用によってモデル化される。

Although there are several proposals of relativistic spin in the literature, the recognition of intrinsicality as a key characteristic for the definition of this concept is responsible for selecting a single tensor operator that adequately describes such a quantity. This intrinsic definition does not correspond to Wigner's spin operator, which is the definition that is widely adopted in the relativistic quantum information theory literature. Here, the differences between the predictions obtained considering the intrinsic spin and Wigner's spin are investigated. The measurements involving the intrinsic spin are modeled by means of the interaction with an electromagnetic field in a relativistic Stern-Gerlach setup.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:08:37
# ボース=アインシュタインは微小重力と重力の基礎実験で凝縮する

Bose-Einstein condensates in microgravity and fundamental tests of gravity ( http://arxiv.org/abs/2107.03709v1 )

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Christian Ufrecht, Albert Roura and Wolfgang P. Schleich(参考訳) 光パルス原子干渉計は慣性および重力効果に非常に敏感である。 そのため、重力物理学のテストには有望な候補である。 本稿では,重力の基礎試験に関する現状と提案について概説する。 これには重力定数$G$の測定、弱い等価原理のテスト、ダークエネルギーの直接探索、重力波検出が含まれる。 特に大きな感度の増加を伴う微小重力環境での長時間干渉法に重点が置かれている。 また,原子源としてのボース・アインシュタイン凝縮の利点とデメリットについても考察した。

Light-pulse atom interferometers are highly sensitive to inertial and gravitational effects. As such they are promising candidates for tests of gravitational physics. In this article the state-of-the-art and proposals for fundamental tests of gravity are reviewed. They include the measurement of the gravitational constant $G$, tests of the weak equivalence principle, direct searches of dark energy and gravitational-wave detection. Particular emphasis is put on long-time interferometry in microgravity environments accompanied by an enormous increase of sensitivity. In addition, advantages as well as disadvantages of Bose-Einstein condensates as atom sources are discussed.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:08:27
# 保全法にかかわる情報

Information Scrambling with Conservation Laws ( http://arxiv.org/abs/2107.04043v2 )

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Jonah Kudler-Flam, Ramanjit Sohal, Laimei Nie(参考訳) 量子情報の非局在化やスクランブルは、孤立した量子多体系における熱化の理解において中心的な要素となっている。 近年、非可積分系を確率的系としてモデル化し、ハミルトン図を欠いている一方で、正直なハミルトン力学は計算上の制約により小さな系のサイズに制限されることが多い。 本稿では,情報理論の観点から,熱化過程における省エネルギー法(省エネルギー法を含む)の役割について考察する。 一般の非可積分モデルでは、システムのエネルギー保存時にも最大情報の量が(時間発展作用素の3成分相互情報によって測定されるように)スクランブルであることを示すために平衡近似を用いる。 対照的に、システムがスペクトルの異質性に繋がる追加の対称性を持つ場合、スクランブルする情報の量は減らなければなりません。 この一般理論は、ホログラフィック共形場理論 (CFTs) と Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) モデルの研究において例示される。 1+1D CFT における大きなヴィラソロ対称性のため、ある意味では、これらのホログラフィック理論は最大カオス的ではなく、第二R'enyi三部体相互情報の非飽和によって明らかに見られる。 SYKモデルにおける粒子ホールとU(1)対称性の役割は、縮退がわずか2倍であることから、より穏やかである。 我々は,演算子の絡み合いを局所作用素の成長の観点から再解釈し,時間外順序付き相関器によって記述された情報スクランブルとを結合し,ハイゼンベルクの視点からスクランブルを抑制するメカニズムを同定する。

The delocalization or scrambling of quantum information has emerged as a central ingredient in the understanding of thermalization in isolated quantum many-body systems. Recently, significant progress has been made analytically by modeling non-integrable systems as stochastic systems, lacking a Hamiltonian picture, while honest Hamiltonian dynamics are frequently limited to small system sizes due to computational constraints. In this paper, we address this by investigating the role of conservation laws (including energy conservation) in the thermalization process from an information-theoretic perspective. For general non-integrable models, we use the equilibrium approximation to show that the maximal amount of information is scrambled (as measured by the tripartite mutual information of the time-evolution operator) at late times even when a system conserves energy. In contrast, we explicate how when a system has additional symmetries that lead to degeneracies in the spectrum, the amount of information scrambled must decrease. This general theory is exemplified in case studies of holographic conformal field theories (CFTs) and the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model. Due to the large Virasoro symmetry in 1+1D CFTs, we argue that, in a sense, these holographic theories are not maximally chaotic, which is explicitly seen by the non-saturation of the second R\'enyi tripartite mutual information. The roles of particle-hole and U(1) symmetries in the SYK model are milder due to the degeneracies being only two-fold, which we confirm explicitly at both large- and small-$N$. We reinterpret the operator entanglement in terms the growth of local operators, connecting our results with the information scrambling described by out-of-time-ordered correlators, identifying the mechanism for suppressed scrambling from the Heisenberg perspective.
公開日:2021-12-27
翻訳日:2023-03-23 02:02:20
# 空洞支援無限距離相互作用によるフェルミオン化

Fermionization via cavity-assisted infinite-range interactions ( http://arxiv.org/abs/2107.04040v1 )

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Paolo Molignini, Camille L\'ev\^eque, Hans Kessler, Dieter Jaksch, R. Chitra, and Axel U. J. Lode(参考訳) レーザー駆動型散逸光空洞を介する無限範囲相互作用を持つボソンの1次元配列について検討した。 空洞を介する無限範囲相互作用は、その長距離相互作用のために双極子ボソンでのみ知られているヒッヘルトと呼ばれる、フェルミオン化の新しい経路を開く。 最先端実験で達成可能なパラメータ範囲において,無限次元相互作用を持つボソンとフェルミオンの可観測性を比較する。 レーザーポンプの出力が十分大きいと、実空間と運動量空間の密度分布、相関関数、一体密度行列の固有値、超放射秩序パラメータを含む多くの観測値がボソンやフェルミオンと同一となる。 このキャビティ誘起フェルミオン化の出現をポンプ動力と接触相互作用の関数として捉える。 キャビティを介する相互作用は、フェルミオン化を引き起こすのに必要な接触相互作用の強さを数桁減少させることで補うことができる。

We study a one-dimensional array of bosons with infinite-range interactions mediated by a laser-driven dissipative optical cavity. The cavity-mediated infinite-range interactions open up a new pathway to fermionization, hitherto only known for dipolar bosons due to their long-range interactions. In parameter ranges attainable in state-of-the-art experiments, we systematically compare observables for bosons and fermions with infinite-range interactions. At large enough laser pump power, many observables, including density distributions in real and momentum space, correlation functions, eigenvalues of the one-body density matrix, and superradiance order parameter, become identical for bosons and fermions. We map out the emergence of this cavity-induced fermionization as a function of pump power and contact interactions. We discover that cavity-mediated interactions can compensate a reduction by several orders of magnitude in the strength of the contact interactions needed to trigger fermionization.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 02:01:49
# ランダムノイズを用いた量子クエンチプロトコルによるハミルトントモグラフィ

Hamiltonian tomography by the quantum quench protocol with random noise ( http://arxiv.org/abs/2107.04033v2 )

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Artur Czerwinski(参考訳) 本稿では,ランダムノイズを有するマルチ量子ビットシステムのハミルトントモグラフィの枠組みを提案する。 我々は、ランダムユニタリ作用素と時間的不確かさによって歪曲された局所的な測定によって多体ハミルトンを再構成するために量子クエンチプロトコルを採用する。 特に、周波数場内のヘテロ核系の2つのスピン1/2$と3量子ビットハミルトニアンの相互作用を記述する逆場イジングハミルトニアンを考える。 ランダムハミルトニアンのサンプルでは、2つのパラメータで定量化される雑音の量に対する再構成の忠実さを報告する。 さらに,ハミルトニアントモグラフィの精度と,その枠組みに関わる量子状態のペア数との関係について検討した。 その結果、ランダムノイズに対するプロトコルの堅牢性に関する貴重な知見が得られる。

In this article, we introduce a framework for Hamiltonian tomography of multi-qubit systems with random noise. We adopt the quantum quench protocol to reconstruct a many-body Hamiltonian by local measurements that are distorted by random unitary operators and time uncertainty. In particular, we consider a transverse field Ising Hamiltonians describing interactions of two spins $1/2$ and three-qubit Hamiltonians of a heteronuclear system within the radio-frequency field. For a sample of random Hamiltonians, we report the fidelity of reconstruction versus the amount of noise quantified by two parameters. Furthermore, we discuss the correlation between the accuracy of Hamiltonian tomography and the number of pairs of quantum states involved in the framework. The results provide valuable insight into the robustness of the protocol against random noise.
公開日:2021-11-29
翻訳日:2023-03-23 02:01:32
# 量子ポンプによるクラスター状態の対称有限時間生成

Symmetric Finite-Time Preparation of Cluster States via Quantum Pumps ( http://arxiv.org/abs/2107.04019v2 )

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Nathanan Tantivasadakarn, Ashvin Vishwanath(参考訳) 近年、クラスター状態と同じ対称性に保護された位相相にあるクラスター状状態が、測定に基づく量子計算に利用できるリソース状態の族をもたらすことが確立されている。 本研究では,資源状態を保護する対称性を破ることなく,有限時間でクラスター状状態を作成することができるかどうかを問う。 このような対称性保存プロトコルは、準備中のエラーに対する位相的保護の恩恵を受ける。 この問題は、有限時間進化がバルク内で自明に作用するユニタリであるような高次元のハミルトニアンを1つの高次元に与えて正に答えるが、所望のクラスター状態は境界に励起する。 大域対称性で保護される1次元クラスター状態と、サブシステム対称性で保護される様々な2次元クラスター状態の両方について、例を挙げる。 駆動ハミルトニアンに不要な対称摂動が存在するとしても、フィードフォワード補正を伴うバルクの射影的測定はクラスター状状態の回復に十分であることを示す。

It has recently been established that cluster-like states -- states that are in the same symmetry-protected topological phase as the cluster state -- provide a family of resource states that can be utilized for Measurement-Based Quantum Computation. In this work, we ask whether it is possible to prepare cluster-like states in finite time without breaking the symmetry protecting the resource state. Such a symmetry-preserving protocol would benefit from topological protection to errors in the preparation. We answer this question in the positive by providing a Hamiltonian in one higher dimension whose finite-time evolution is a unitary that acts trivially in the bulk, but pumps the desired cluster state to the boundary. Examples are given for both the 1D cluster state protected by a global symmetry, and various 2D cluster states protected by subsystem symmetries. We show that even if unwanted symmetric perturbations are present in the driving Hamiltonian, projective measurements in the bulk along with feedforward correction is sufficient to recover a cluster-like state.
公開日:2022-08-22
翻訳日:2023-03-23 02:01:20
# 光子のマルチノード識別可能性による量子ネットワーク内の遠隔絡み合い分布

Remote entanglement distribution in a quantum network via multinode indistinguishability of photons ( http://arxiv.org/abs/2107.03999v3 )

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Yan Wang, Ze-Yan Hao, Zheng-Hao Liu, Kai Sun, Jin-Shi Xu, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Alessia Castellini, Bruno Bellomo, Giuseppe Compagno, Rosario Lo Franco(参考訳) 量子ネットワークは、通常、交換手順によって実現される遠方のノード間の絡み合い分布に依存する。 しかし、エンタングルメントスワッピングは、主にエンタングル光子源の有効性の制限と、プロセスを実現するために必要なベル状態測定のため、実際に要求されるタスクである。 ここでは, 2光子偏光エンタングルメントの遠隔分布を実験的に活性化し, 初期エンタングルペアと従来のベル状態測定の必要性を克服した。 本手法は,ネットワークの3つの分離ノードにおける4つの独立光子の空間的不明瞭さの制御により実現され,トリガとして機能する中央ノードにおける局所的積状態測定が可能となった。 この実験は、同一粒子の固有の識別不能性が、マルチノードフォトニック量子ネットワークにおける実現可能な量子通信の新たな標準をもたらすことを証明している。

Quantum networking relies on entanglement distribution between distant nodes, typically realized by swapping procedures. However, entanglement swapping is a demanding task in practice, mainly because of limited effectiveness of entangled photon sources and Bell-state measurements necessary to realize the process. Here we experimentally activate a remote distribution of two-photon polarization entanglement superseding the need for initial entangled pairs and traditional Bell-state measurements. This alternative procedure is accomplished thanks to the controlled spatial indistinguishability of four independent photons in three separated nodes of the network, which enables us to perform localized product-state measurements in the central node acting as a trigger. This experiment proves that the inherent indistinguishability of identical particles supplies new standards for feasible quantum communication in multinode photonic quantum networks.
公開日:2022-09-15
翻訳日:2023-03-23 02:01:00
# 強相互作用超流動におけるトポロジカルヒッグス振幅モード

Topological Higgs Amplitude Modes in Strongly Interacting Superfluids ( http://arxiv.org/abs/2107.03998v2 )

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Junsen Wang, Youjin Deng and Wei Zheng(参考訳) 2次元Su-Schrieffer-Heeger-Bose-Hubbardモデルの研究により、強相互作用する超流動相におけるトポロジカルヒッグス振幅モードの存在を示す。 スレーブ・ボーソンのアプローチを用いて、大きな充填限界において、ヒッグス励起と基底状態の上の金岩励起はよく分離され、両者とも基礎となる非相互作用バンドから受け継がれた非自明なトポロジーを示す。 有限充填では高エネルギーで結合するが、それでもこれらのモードの位相は変化しない。 さらに,効果的な行動解析に基づいて,ヒッグスモードとゴールドストーンモードの位相的特徴に対する普遍的な物理画像を提供する。 トポロジカルヒッグスモードの最初の実現の発見は、超伝導体や量子磁気学のような様々なシステムにおける新しい研究への道を開く。

By studying the 2-dimensional Su-Schrieffer-Heeger-Bose-Hubbard model, we show the existence of topological Higgs amplitude modes in the strongly interacting superfluid phase. Using the slave boson approach, we find that, in the large filling limit, the Higgs excitations and the Goldstone excitations above the ground state are well decoupled, and both of them exhibit nontrivial topology inherited from the underlying noninteracting bands. At finite fillings, they become coupled at high energies; nevertheless, the topology of these modes are unchanged. Moreover, based on an effective action analysis, we further provide a universal physical picture for the topological character of Higgs and Goldstone modes. Our discovery of the first realization of the topological Higgs mode opens the path to novel investigations in various systems such as superconductors and quantum magnetism.
公開日:2021-09-16
翻訳日:2023-03-23 02:00:46
# 古典システムに対するシュウィンガー作用原理

The Schwinger action principle for classical systems ( http://arxiv.org/abs/2107.03982v2 )

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A. D. Berm\'udez Manjarres(参考訳) シュウィンガーの作用原理を用いて古典力学のクープマン・フォン・ノイマン操作版における運動方程式を得る。 我々は解析を非散逸系に限定する。 シュウィンガーの作用原理は速度非依存力の変分原理として解釈できることを示した。

We use the Schwinger action principle to obtain the equations of motion in the Koopman-von Neumann operational version of classical mechanics. We restrict our analysis to non-dissipative systems. We show that the Schwinger action principle can be interpreted as a variational principle for velocity-independent forces.
公開日:2023-02-23
翻訳日:2023-03-23 02:00:32
# バレス角とトレース距離による多重量子チャネル識別の誤差確率の下位境界

Lower bounds on the error probability of multiple quantum channel discrimination by the Bures angle and the trace distance ( http://arxiv.org/abs/2107.03948v2 )

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Ryo Ito and Ryuhei Mori(参考訳) 量子チャネル識別は、量子情報科学の基本的な問題である。 本研究では,一般的な量子チャネル判別問題を考察し,誤差確率の下位境界を導出する。 我々の下界は、バーズ角の三角形の不等式とトレース距離に基づいている。 バーズ角に基づく下界の結果として、マークされた要素の数がいくつかの整数 $\ell$ に固定されている場合、グローバー探索の最適性が証明される。 この結果は、Zalka の結果を $\ell=1$ で一般化する。 また,最近得られたトラスト距離に基づく下界が,最近得られた下界より優れる数値結果も提示した。

Quantum channel discrimination is a fundamental problem in quantum information science. In this study, we consider general quantum channel discrimination problems, and derive the lower bounds of the error probability. Our lower bounds are based on the triangle inequalities of the Bures angle and the trace distance. As a consequence of the lower bound based on the Bures angle, we prove the optimality of Grover's search if the number of marked elements is fixed to some integer $\ell$. This result generalizes Zalka's result for $\ell=1$. We also present several numerical results in which our lower bounds based on the trace distance outperform recently obtained lower bounds.
公開日:2022-08-01
翻訳日:2023-03-23 02:00:27
# 部分情報を用いた多体系における量子絡みの解離

Unveiling quantum entanglement in many-body systems from partial information ( http://arxiv.org/abs/2107.03944v3 )

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Ir\'en\'ee Fr\'erot, Flavio Baccari and Antonio Ac\'in(参考訳) 量子絡み合いは一般に量子コンピューティングと量子シミュレーションの中心的な資源であると考えられている。 それでも、多体システムでそれを検出する能力は、十分にスケーラブルで柔軟な認証ツールがないため、著しく制限されている。 この問題は、絡み合いの構造が未詳であり、既存の絡み合いの証人に頼ることができない状況において特に重要である。 そこで我々は,任意の観測値の平均値に関する知識を,スケーラブルで認証され,体系的な方法で多部絡みを探索する手法を実装した。 具体的には、部分転位に基づく基準によらない正の半定条件に頼り、データが分離可能な状態によって再生可能であれば必ず従う。 これらの条件に違反すると、特定の絡み合いの証人となり、興味のあるデータに合わせて、絡み合いなしでは再生できないデータの健全な特徴を明らかにする。 既存の実験に関連する数百の量子ビットの理論的多体状態: 1次元$XX$鎖の単一粒子クエンチ、1/r^3$相互作用を持つ2次元$XX$模型の多体クエンチ、ハイゼンベルクと横場Ising鎖の熱平衡状態。 いずれの場合も、これらの調査によって新たな絡み合いの証人を発見することができ、そのうちのいくつかは分析的に特徴づけられ、文献における既存の結果を一般化している。 要約して,本論文では,量子優位状態における実験の即時的関連を考慮し,不特性な量子多体状態に対するフレキシブルなデータ駆動絡み検出手法を提案する。

Quantum entanglement is commonly assumed to be a central resource for quantum computing and quantum simulation. Nonetheless, the capability to detect it in many-body systems is severely limited by the absence of sufficiently scalable and flexible certification tools. This issue is particularly critical in situations where the structure of entanglement is a priori unknown, and where one cannot rely on existing entanglement witnesses. Here, we implement a scheme in which the knowledge of the mean value of arbitrary observables can be used to probe multipartite entanglement in a scalable, certified and systematic manner. Specifically, we rely on positive semidefinite conditions, independent of partial-transposition-based criteria, necessarily obeyed if the data can be reproduced by a separable state. The violation of any of these conditions yields a specific entanglement witness, tailored to the data of interest, revealing the salient features of the data which are impossible to reproduce without entanglement. We validate this approach by probing theoretical many-body states of several hundreds of qubits relevant to existing experiments: a single-particle quench in a one-dimensional $XX$ chain; a many-body quench in a two-dimensional $XX$ model with $1/r^3$ interactions; and thermal equilibrium states of Heisenberg and transverse-field Ising chains. In all cases, these investigations have lead us to discover new entanglement witnesses, some of which could be characterized analytically, generalizing existing results in the literature. In summary, our paper introduces a flexible data-driven entanglement detection technique for uncharacterized quantum many-body states, of immediate relevance to experiments in a quantum advantage regime.
公開日:2022-03-16
翻訳日:2023-03-23 02:00:16
# キュートリット集合密度行列の光学的再構成

Optical reconstruction of collective density matrix of qutrit ( http://arxiv.org/abs/2107.03923v3 )

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Marek Kopciuch and Szymon Pustelny(参考訳) 量子状態の再構成は、量子情報科学において最も重要なものである。 特に、室温蒸気の原子の状態の効率的な決定の手段は、量子計算や暗号学に応用することができる。 本稿では,このような応用に向けて,f=1$の基底状態を持つ原子からなる原子アンサンブルの集団密度行列の再構成法を提案する。 このような寿命の長い状態は、実際のシステム(例えばカリウム、ナトリウム、ルビジウム)でしばしば見られ、実用的な利用が可能である。 理論的な処理により、特定の密度行列要素と光学信号(偏光回転と楕円性変化)に関する明示的な公式を導出することができる。 解析は数値シミュレーションによって支援され、アルゴリズムの忠実性と堅牢性を評価することができる。 実験の結果,本アルゴリズムは雑音環境や原子操作の不完全性においても0.95以上の忠実度が得られることがわかった。

Reconstruction of a quantum state is of prime importance for quantum-information science. Specifically, means of efficient determination of a state of atoms of room-temperature vapor may enable applications in quantum computations and cryptography. To step toward such applications, here we present a method of reconstruction of a collective density matrix of an atomic ensemble, consisting of atoms with an $F=1$ ground state. Such a long-lived state is often encountered in real systems (e.g., potassium, sodium, rubidium) and hence may be practically utilized. Our theoretical treatment enables derivation of explicit formulas relating optical signals (polarization rotation and ellipticity change) with specific density-matrix elements. The analysis are supported with numerical simulations, which allows to evaluate fidelity and robustness of the algorithm. The tests show that our algorithm allows to obtain the fidelity exceeded 0.95 even at noisy environment and/or significant atomic manipulation imperfections.
公開日:2022-09-05
翻訳日:2023-03-23 01:59:28
# AIガバナンスの過去、現在、未来 - 欧州連合におけるAIガバナンス

The ghost of AI governance past, present and future: AI governance in the European Union ( http://arxiv.org/abs/2107.14099v1 )

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Charlotte Stix(参考訳) 人工知能(ai)は、米国と中国の間の競争である。 この章では、著者が欧州連合(EU)がその混合にどのように適合し、AIを統治する第3の方法として何が提供できるかを検討する。 この章は、EUにおけるAIガバナンスの過去、現在、未来を探求することによって、これを提示する。 第1節は、EUのAIガバナンスに対する一貫性と包括的アプローチを探求し、実証する。 要するに、EUは倫理的で信頼できる技術開発を確実にし、奨励している。 これは、これまでEUで最も重要な取り組みであるAIの規制に繋がった、さまざまな重要な文書やポリシーツールをカバーする。 第2節は、規制とインフラのレンズを通して、EUのデジタル主権への推進力を示す。 これはAIシステムの信頼性、クラウド、計算、外国からの直接投資といったトピックをカバーしている。 第3節では、EUにおける優れたAIガバナンスを達成するためのいくつかの考慮事項を提示することで、章は締めくくられている。

The received wisdom is that artificial intelligence (AI) is a competition between the US and China. In this chapter, the author will examine how the European Union (EU) fits into that mix and what it can offer as a third way to govern AI. The chapter presents this by exploring the past, present and future of AI governance in the EU. Section 1 serves to explore and evidence the EUs coherent and comprehensive approach to AI governance. In short, the EU ensures and encourages ethical, trustworthy and reliable technological development. This will cover a range of key documents and policy tools that lead to the most crucial effort of the EU to date: to regulate AI. Section 2 maps the EUs drive towards digital sovereignty through the lens of regulation and infrastructure. This covers topics such as the trustworthiness of AI systems, cloud, compute and foreign direct investment. In Section 3, the chapter concludes by offering several considerations to achieve good AI governance in the EU.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:52:15
# cyber crossroads:サイバーリスクガバナンスに関するグローバルな研究

Cyber Crossroads: A Global Research Collaborative on Cyber Risk Governance ( http://arxiv.org/abs/2107.14065v1 )

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Gregory Falco, Paul Cornish, Sadie Creese, Madeline Carr, Myriam Dunn Cavelty, Claudia Eckert, Herbert Lin, Gen Goto, Jamie Saunders, Andrew Grotto, Howard Shrobe, Sean Kanuck, Lawrence Susskind, Arvind Parthasarathi(参考訳) サイバーセキュリティ製品やサービスへの支出は、2020年に1230億ドルを突破し、2011年に費やされた5500億ドルの2倍以上になると予想されている。 組織は世界的な負債の増大に直面し、取締役会はシシフィアの課題に悩まされている。 サイバークロスロードは、こうした恐ろしいトレンドから生まれ、世界は有限の資源を無期限で難解な問題に駆り立てることができないことに気付きました。 サイバークロスロード(Cyber Crossroads)は、サイバー問題(技術、法律、リスク、経済など)の側面にまたがる、世界中の専門知識を集約し、グローバルで非営利な研究と商業的関心のない共同研究によって構築されるCyber Standard of Careを作成することを目的としている。 サイバーケアの標準は、組織の規模に関係なく、業界全体に適用されるべきである。 実用的で実装可能であり、製品やサービスを購入する必要はない。 サイバーケアの標準は組織の既存のガバナンスファブリックに織り込まれるべきであり、もう1つの技術的なチェックリストではなく、時間とともに立ち上がることができるプロセス/ガバナンスフレームワークであるべきです。 これを達成するために、さまざまな専門知識を持つサイバーリスク専門家や実践家と関わり、司法管轄区域にまたがる規制当局や法律専門家の助言と指導を確保し、世界中の56の組織からリーダーにインタビューして、彼らの課題を理解し、ベストプラクティスを特定しました。

Spending on cybersecurity products and services is expected to top 123 billion U.S. dollars for 2020, more than double the 55 billion U.S. dollars spent in 2011.1 In that same period, cyber breaches quadrupled. Organizations globally face increasing liabilities, while boards of directors grapple with a seemingly Sisyphean challenge. Cyber Crossroads was born out of these alarming trends and a realization that the world cannot go on funneling finite resources into an indefinite, intractable problem. Cyber Crossroads brings together expertise from across the world, spanning aspects of the cyber problem (including technology, legal, risk, and economic) with the goal of creating a Cyber Standard of Care built through a global, not-for-profit research collaborative with no commercial interests. A Cyber Standard of Care should be applicable across industries and regardless of the organization size. It should be practical and implementable, with no requirement to purchase any product/service. Cyber Standard of Care should be woven into the existing governance fabric of the organization and it should not be yet another technical checklist, but a process/governance framework that can stand over time. To achieve this, we engaged with cyber risk experts and practitioners with a variety of relevant expertise, secured the advice/guidance of regulators and legal experts across jurisdictions, and interviewed leaders from 56 organizations globally to understand their challenges and identify best practices.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:51:59
# アクシオン暗黒物質の探索を高速化する空洞絡みと状態交換法

A cavity entanglement and state swapping method to accelerate the search for axion dark matter ( http://arxiv.org/abs/2107.04147v2 )

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K. Wurtz, B. M. Brubaker, Y. Jiang, E. P. Ruddy, D. A. Palken, and K. W. Lehnert(参考訳) キャビティベースのアクシオンダークマター検出器では、量子ノイズは、アクシオンパラメータ空間の包括的探索に必要な走査速度を達成するための主要な障壁である。 本稿では,2モードスキューズ(絡み合い)と状態スワッピング相互作用を同時に行うことで,アクシオン感受性キャビティを補助共振回路に結合する走査速度向上手法を提案する。 これらの相互作用を組み合わせれば、測定によって発生する真空ノイズによって汚染される前に、アクシオン信号を増幅することができることを示す。 この内部増幅は軸感度の広い帯域幅をもたらし、検出器が周波数空間を探索できる速度を増大させる。 このシステムの回路シミュレーションによって予測される相互作用速度により、この手法は真空ノイズに制限された検出器の走査速度に対して、スキャンレートを最大15倍に増やすことができる。

In cavity-based axion dark matter detectors, quantum noise remains a primary barrier to achieving the scan rate necessary for a comprehensive search of axion parameter space. Here we introduce a method of scan rate enhancement in which an axion-sensitive cavity is coupled to an auxiliary resonant circuit through simultaneous two-mode squeezing (entangling) and state swapping interactions. We show analytically that when combined, these interactions can amplify an axion signal before it becomes polluted by vacuum noise introduced by measurement. This internal amplification yields a wider bandwidth of axion sensitivity, increasing the rate at which the detector can search through frequency space. With interaction rates predicted by circuit simulations of this system, we show that this technique can increase the scan rate up to 15-fold relative to the scan rate of a detector limited by vacuum noise.
公開日:2022-04-22
翻訳日:2023-03-23 01:51:27
# 多結晶およびアモルファスアルミナ中の数百個の量子欠陥の探索

Probing hundreds of individual quantum defects in polycrystalline and amorphous alumina ( http://arxiv.org/abs/2107.04131v3 )

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Chih-Chiao Hung, Liuqi Yu, Neda Foroozani, Stefan Fritz, Dagmar Gerthsen, and Kevin D. Osborn(参考訳) 量子二レベル系(TLS)は量子ビットの材料に存在し、量子ビットコヒーレンスを制限するため欠陥と見なされる。 超伝導量子ビットでは、クインテシデントジョセフソン接合バリアはTLSをホストするアモルファスアルミナで構成されている。 しかし、TLSは構造的にも原子組成的にも一般的には理解されていない。 本研究では,2種類のアルミナの物理的双極子モーメントを報告し,TLSの量的データを大幅に拡張する: 結晶性$\mathrm{\mathrm{\gamma-Al}_{2}\mathrm{O}_{3}} およびアモルファス$\mathrm{a-Al}\mathrm{O_{x}} である。 より構造的な結合パラメータgからより低い双極子モーメント$p_z$を得るために、外部電界で個々のTLSを調整し、空洞QED系においてTLSの$p_z$を抽出する。 膜型と双極子モーメント分布の違いは明らかであり,TLS構造の違いが示唆された。 多結晶膜型から約400個のTLSの試料を解析した。 成長方向の双極子 $p_z$ の平均値は 2.6$\pm$0.3 debye (d) であり、標準偏差 $\sigma$ = 1.6$\pm$0.2 d である。 物質分布は単一のガウス函数によく適合する。 アモルファス膜から約200個のTLSを解析する。 p_z$ =4.6$\pm$0.5d と$\sigma$ =2.5$\pm$0.3d はどちらも大きい。 アモルファスアルミナは、この瞬間を全く持たない多結晶とは対照的に、非常に大きな$p_z$, > 8.6 d を持つ。 これらの大きなモーメントは、酸素ベースのTLSモデルにのみ一致する。 データおよび候補モデル(非局在化Oおよび水素系TLS)に基づいて、多結晶アルミナは非晶質アルミナよりもO系TLSとH系TLSとの比が小さいことがわかった。

Quantum two-level systems (TLSs) are present in the materials of qubits and are considered defects because they limit qubit coherence. For superconducting qubits, the quintessential Josephson junction barrier is made of amorphous alumina, which hosts TLSs. However, TLSs are not understood generally -- either structurally or in atomic composition. In this study, we greatly extend the quantitative data available on TLSs by reporting on the physical dipole moment in two alumina types: polycrystalline $\mathrm{\mathrm{\gamma-Al}_{2}\mathrm{O}_{3}}$ and amorphous $\mathrm{a-Al}\mathrm{O_{x}}$. To obtain the dipole moments $p_z$, rather from the less-structural coupling parameter g, we tune individual TLSs with an external electric field to extract the $p_z$ of the TLSs in a cavity QED system. We find a clear difference in the dipole moment distribution from the film types, indicating a difference in TLS structures. A large sample of approximately 400 individual TLSs are analyzed from the polycrystalline film type. Their dipoles along the growth direction $p_z$ have a mean value of 2.6$\pm$0.3 Debye (D) and standard deviation $\sigma$ = 1.6$\pm$0.2 D . The material distribution fits well to a single Gaussian function. Approximately 200 individual TLSs are analyzed from amorphous films. Both the mean $p_z$ =4.6$\pm$0.5 D and $\sigma$ =2.5$\pm$0.3 D are larger. Amorphous alumina also has some very large $p_z$, > 8.6 D, in contrast to polycrystalline which has none of this moment. These large moments agree only with oxygen-based TLS models. Based on data and the candidate models (delocalized O and hydrogen-based TLSs), we find polycrystalline alumina has smaller ratio of O-based to H-based TLS than amorphous alumina.
公開日:2022-03-01
翻訳日:2023-03-23 01:51:09
# 群衆センシングと野外実験が簡単になった

Crowd Sensing and Living Lab Outdoor Experimentation Made Easy ( http://arxiv.org/abs/2107.04117v4 )

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Evangelos Pournaras, Atif Nabi Ghulam, Renato Kunz, Regula H\"anggli(参考訳) 広汎なコンピューティングを用いた実験室の屋外実験は、より高いリアリズム、外部の妥当性、大規模における社会時空間観測という新たな機会を提供する。 実験は複雑で費用がかかる。 騒音、バイアス、プライバシーの懸念、倫理的レビューボードの基準の遵守、リモートモデレーション、実験条件の制御、機器は因果推論のための高品質なデータの収集を複雑にする。 この記事では、厳格な屋外実験のためのオープンソースのソフトウェアプラットフォームであるSmart Agoraを紹介します。 1行のコードを記述することなく、非常に複雑な実験シナリオは視覚的に設計され、スマートフォンに自動的にデプロイされる。 新たな測地調査とセンサデータを収集し、所望の実験条件、例えば特定の市街地における測地を検証した。 この新しいアプローチは、仮説を確認/排除する条件に合わせた、群衆センシングの品質と目的性を大幅に改善する。 このイノベーティブな機能をサポートする機能と,その適用範囲を広く示す。

Living lab outdoor experimentation using pervasive computing provides new opportunities: higher realism, external validity and socio-spatio-temporal observations in large scale. However, experimentation `in the wild' is complex and costly. Noise, biases, privacy concerns, compliance with standards of ethical review boards, remote moderation, control of experimental conditions and equipment perplex the collection of high-quality data for causal inference. This article introduces Smart Agora, a novel open-source software platform for rigorous systematic outdoor experimentation. Without writing a single line of code, highly complex experimental scenarios are visually designed and automatically deployed to smart phones. Novel geolocated survey and sensor data are collected subject of participants verifying desired experimental conditions, for instance, their localization at certain urban spots. This new approach drastically improves the quality and purposefulness of crowd sensing, tailored to conditions that confirm/reject hypotheses. The features that support this innovative functionality and the broad spectrum of its applicability are demonstrated.
公開日:2021-10-15
翻訳日:2023-03-23 01:50:36
# ハイブリッド量子古典強化学習によるatariの演奏

Playing Atari with Hybrid Quantum-Classical Reinforcement Learning ( http://arxiv.org/abs/2107.04114v1 )

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Owen Lockwood and Mei Si(参考訳) 最近の量子強化学習の成功にもかかわらず、大きな観測空間を量子系にエンコードすることの難しさから、その応用には厳しい制限が残っている。 そこで本研究では,atariゲームを用いたデータエンコーダとしてニューラルネットワークの利用を提案する。 具体的には、ニューラルネットワークは、ゲームから入力されたピクセルを量子変分回路(QVC)の量子データに変換し、このハイブリッドモデルをDouble Deep Q Networksアルゴリズムの関数近似器として使用する。 このアルゴリズムの多くのバリエーションを調査し,提案するハイブリッドモデルが2つのatariゲーム(breakoutとpong)において有意義な結果が得られないことを見出した。 これは、ハイブリッド量子古典システムのサイズが大幅に小さくなったためと思われる。

Despite the successes of recent works in quantum reinforcement learning, there are still severe limitations on its applications due to the challenge of encoding large observation spaces into quantum systems. To address this challenge, we propose using a neural network as a data encoder, with the Atari games as our testbed. Specifically, the neural network converts the pixel input from the games to quantum data for a Quantum Variational Circuit (QVC); this hybrid model is then used as a function approximator in the Double Deep Q Networks algorithm. We explore a number of variations of this algorithm and find that our proposed hybrid models do not achieve meaningful results on two Atari games - Breakout and Pong. We suspect this is due to the significantly reduced sizes of the hybrid quantum-classical systems.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:50:21
# 光捕捉中性原子の単一光子サイドバンド冷却の展望

Prospects for single photon sideband cooling of optically trapped neutral atoms ( http://arxiv.org/abs/2107.04110v1 )

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Federico Berto, Elia Perego, Lucia Duca, Carlo Sias(参考訳) 状態依存光ポテンシャルに閉じ込められた粒子の単一光子サイドバンド冷却を実現するための新しい冷却方式を提案する。 本研究は,ab-initioモデルからマスタレート方程式を導出し,全ての動作状態を逐次冷却する冷却レーザに周波数スイープを適用することで,実験により振動レベルの平均占有数を劇的に低減できることを示す。 この冷却方式は、粒子が内部の基底状態において励起状態よりも深いトラップを経験するときにも有効であり、従来の単一光子側バンド冷却が機能しない状態である。 本分析では,光学的ツイーザに閉じ込められた2レベル粒子と光学的格子に閉じ込められたLi原子の2つの事例を考察し,両例とも効率的な冷却条件を見出した。 モデルの結果は、ハミルトニアン系の完全な量子モンテカルロシミュレーションによって確認される。 本研究は, 原子, 分子, イオンなど, 状態依存性の光学ポテンシャルに閉じ込められた任意の粒子に対して, 原理的に適用可能な代替冷却方式を提供する。

We propose a novel cooling scheme for realising single photon sideband cooling on particles trapped in a state-dependent optical potential. We develop a master rate equation from an ab-initio model and find that in experimentally feasible conditions it is possible to drastically reduce the average occupation number of the vibrational levels by applying a frequency sweep on the cooling laser that sequentially cools all the motional states. Notably, this cooling scheme works also when a particle experiences a deeper trap in its internal ground state than in its excited state, a condition for which conventional single photon sideband cooling does not work. In our analysis, we consider two cases: a two-level particle confined in an optical tweezer and Li atoms confined in an optical lattice, and find conditions for efficient cooling in both cases. The results from the model are confirmed by a full quantum Monte Carlo simulation of the system Hamiltonian. Our findings provide an alternative cooling scheme that can be applied in principle to any particle, e.g. atoms, molecules or ions, confined in a state-dependent optical potential.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:50:07
# 量子交互作用素 ansatz を用いた量子局所探索

Quantum Local Search with the Quantum Alternating Operator Ansatz ( http://arxiv.org/abs/2107.04109v3 )

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Teague Tomesh, Zain H. Saleem, Martin Suchara(参考訳) 制約付き組合せ最適化問題の量子近似最適化のための新しいハイブリッド局所探索アルゴリズムを提案する。 我々は、最大独立集合問題に焦点をあて、量子局所探索による量子デバイス上の大きな問題を量子ビット数で解く能力を実証する。 このハイブリッドアルゴリズムは、注意深く構築された近傍上の独立集合を反復的に見つけ、これらの解を結合して大域解を得る。 本稿では,最大100ノードの3正規,コミュニティ,Erd\H{o}s-R\'{e}nyiグラフ上でのアルゴリズムの性能について検討する。

We present a new hybrid, local search algorithm for quantum approximate optimization of constrained combinatorial optimization problems. We focus on the Maximum Independent Set problem and demonstrate the ability of quantum local search to solve large problem instances on quantum devices with few qubits. This hybrid algorithm iteratively finds independent sets over carefully constructed neighborhoods and combines these solutions to obtain a global solution. We study the performance of this algorithm on 3-regular, Community, and Erd\H{o}s-R\'{e}nyi graphs with up to 100 nodes.
公開日:2022-08-11
翻訳日:2023-03-23 01:49:48
# 電荷密度波鎖の熱死を超えたフィールドチューニング

Field Tuning Beyond the Heat Death of a Charge-Density-Wave Chain ( http://arxiv.org/abs/2107.04096v1 )

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Manuel Weber, James K. Freericks(参考訳) 量子系の時間依存駆動は、熱平衡から遠く離れたエキゾチックな位相を工学する強力なツールとして現れてきた。 多体相互作用の存在は、逃走加熱を引き起こすため、ジェネリック系は、特徴のない無限温度状態に達するまで加熱すると考えられている。 この熱死を遅らせたり回避したりするメカニズムを見つけることは大きな目標であり、そのようなメカニズムの1つは運動量空間内の電子の均等な分布に向かって進むことである。 強直流電界における電荷密度波チェーンの熱死を回避し、電流が早々にゼロに駆動されるにつれて、非自明な分布関数を持つミニバンドが発達する機構を示す。 また, フィールド強度が各ミニバンドの正の温度, 負の温度, 無限の温度の間でどのように調整されるかを示す。 これらの結果は、非自明な準安定分布関数が、遅いボソニックモードに結合した量子系の予熱状態において実現されるべきであることを示唆している。

Time-dependent driving of quantum systems has emerged as a powerful tool to engineer exotic phases far from thermal equilibrium; when the drive is periodic this is called Floquet engineering. The presence of many-body interactions can lead to runaway heating, so that generic systems are believed to heat up until they reach a featureless infinite-temperature state. Finding mechanisms to slow down or even avoid this heat death is a major goal -- one such mechanism is to drive toward an even distribution of electrons in momentum space. Here we show how such a mechanism avoids the heat death for a charge-density-wave chain in a strong dc electric field; minibands with nontrivial distribution functions develop as the current is prematurely driven to zero. We also show how the field strength tunes between positive, negative, or close-to-infinite effective temperatures for each miniband. These results suggest that nontrivial metastable distribution functions should be realized in the prethermal regime of quantum systems coupled to slow bosonic modes.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:49:37
# ハニカム格子上の層状強磁性体の自己整合リナーメールスピン波理論

Self-consistently renormailzed spin-wave theory of layered ferromagnets on honeycomb lattice ( http://arxiv.org/abs/2107.04085v1 )

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Vagharsh Mkhitaryan, Liqin Ke(参考訳) 我々は,ハニカム格子上に垂直な容易軸異方性を持つ2次元ハイゼンベルク強磁性体に対して,平均場近似内で自己整合的に再正規化されたスピン波理論を展開する。 この方法では, 温度に対する磁化依存性を自己抵抗方程式の解として求める。 さらに, 層を別層として扱うことにより, 表面層とバルク層の物理的差異を考慮した。 したがって、この方法は容易に一般化でき、磁気的に同値でない部分格子を含む幅広い系で様々な磁気現象を研究することができる。 この理論を用いて, 既往の文献で報告されているハイゼンベルク交換と単イオン異方性値を用いて, Cr$_2$Ge$_2$Te$_6$, CrI$_3$の2つの層状ファンデルワールス絶縁磁石の温度依存性磁化を計算した。 予測したように、順序付け温度が減少し、異方性に対する感度が次元の低下とともに向上する強い次元効果を観察する。

We develop a self-consistently renormalized spin-wave theory, within a mean-field approximation, for the two-dimensional Heisenberg ferromagnet with perpendicular easy-axis anisotropy on the honeycomb lattice, as well as its few-layer and bulk extensions. In this method, the magnetization dependence on temperature is found as the solution of the self-consistency equation. Furthermore, we account for the physical difference of surface and bulk layers by treating the layers as separate sublattices. Thus, the method can be readily generalized to study various magnetic phenomena in a broad range of systems, including those comprising magnetically inequivalent sublattices. Using our theory, we calculate the temperature-dependent magnetization for two chromium-based layered van der Waals insulating magnets, Cr$_2$Ge$_2$Te$_6$ and CrI$_3$, employing various sets of Heisenberg exchange and single-ion anisotropy values reported for these materials in the existing literature. As expected, we observe a strong dimensionality effect where the ordering temperature is reduced and its sensitivity on the anisotropy is enhanced with the decrease of dimensionality.
公開日:2021-07-08
翻訳日:2023-03-23 01:49:18
# ダイヤモンド核スピンジャイロスコープの実証

Demonstration of diamond nuclear spin gyroscope ( http://arxiv.org/abs/2107.04257v1 )

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Andrey Jarmola, Sean Lourette, Victor M. Acosta, A. Glen Birdwell, Peter Bl\"umler, Dmitry Budker, Tony Ivanov, Vladimir S. Malinovsky(参考訳) 我々は,ダイヤモンド中の窒素空白(nv)色中心に固有な原子核スピンである^<14}$nに基づく回転センサの動作を実証する。 このセンサーは、核の光偏光と読み出しと、無線周波数の2量子パルスプロトコルを使用し、原子核スピンの先入観をモニターする。 この測定プロトコルは、$^{14}$N四極子分割における温度変化に対する感度を抑え、NV電子スピン遷移に共鳴するマイクロ波パルスを必要としない。 この装置は回転プラットフォーム上でテストされ、感度は4.7$^{\circ}/\sqrt{\rm{s}}$ (13 mHz/$\sqrt{\rm{Hz}}$)、バイアス安定性は0.4$^{\circ}$/s (1.1 mHz)であった。

We demonstrate operation of a rotation sensor based on the $^{14}$N nuclear spins intrinsic to nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond. The sensor employs optical polarization and readout of the nuclei and a radio-frequency double-quantum pulse protocol that monitors $^{14}$N nuclear spin precession. This measurement protocol suppresses the sensitivity to temperature variations in the $^{14}$N quadrupole splitting, and it does not require microwave pulses resonant with the NV electron spin transitions. The device was tested on a rotation platform and demonstrated a sensitivity of 4.7 $^{\circ}/\sqrt{\rm{s}}$ (13 mHz/$\sqrt{\rm{Hz}}$), with bias stability of 0.4 $^{\circ}$/s (1.1 mHz).
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:08:24
# インターフェロメトリ質量分析

Interferometric mass spectrometry ( http://arxiv.org/abs/2107.04256v1 )

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Radu Ionicioiu(参考訳) 加速器質量分析法(accelerator mass spectrometry, ams)は、地質学、分子生物学、考古学など、様々な応用分野において広く用いられている技術である。 非常に正確ではあるが、AMSはタンデム加速器とバルク磁石を必要とし、大きな実験室に閉じ込める。 本稿では、量子干渉を用いた新しい質量分離法であるインターフェロメトリ質量分析法(IMS)を提案する。 IMSは試料の波状特性を採用しており、試料が粒子状であるAMSと相補的である。 この相補性は2つの重要な結果をもたらす。 i) 絶対質量$m$に従ってIMS分離を行うが、AMSのように質量/電荷比$m/q$には対応しない。 IMSでは, 試料は低速度状態にあるが, AMSで使用される高速度状態とは対照的である。 IMSの潜在的な応用は、モバイルアプリケーションのためのコンパクトなデバイス、加速段階で壊れる感受性分子、イオン化が難しい中性試料である。

Accelerator mass spectrometry (AMS) is a widely-used technique with multiple applications, including geology, molecular biology and archeology. Although extremely precise, AMS requires tandem accelerators and bulky magnets which confines it to large laboratories. Here we propose interferometric mass spectrometry (IMS), a novel method of mass separation which uses quantum interference. IMS employs the wave-like properties of the samples, and as such is complementary to AMS, in which samples are particle-like. This complementarity has two significant consequences: (i) in IMS separation is performed according to the absolute mass $m$, and not to the mass-to-charge ratio $m/q$, as in AMS; (ii) in IMS the samples are in the low-velocity regime, in contrast to the high-velocity regime used in AMS. Potential applications of IMS are compact devices for mobile applications, sensitive molecules that break at the acceleration stage and neutral samples which are difficult to ionise.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:08:08
# 開放型フェルミオン鎖による輸送における離散時間結晶性のシグネチャ

Signatures of discrete time-crystallinity in transport through an open Fermionic chain ( http://arxiv.org/abs/2107.04214v2 )

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Subhajit Sarkar, Yonatan Dubi(参考訳) 離散時間結晶は周期的に駆動される量子多体系であり、離散時間変換対称性は量子粒子の運動の自己組織化を表す非平衡定常状態である。 離散時間結晶秩序の観測は現在、磁気光学実験に限られている。 重要なことに、外部電極に接続されたシステムで行われた輸送実験では観測されなかった。 ここでは、離散時間結晶と準結晶の両方が、実験的な時間スケールでの系-電極結合による単一粒子の獲得と損失に対応する、非常に一般的な環境のクラスを生き残ることを示す。 動的対称性を用いて周期的に駆動されるFermi-Hubbard鎖の電極に付着した時間結晶挙動を観察するための条件を解析的に同定した。 スピン偏極輸送電流は、時間結晶的挙動の存在を直接表す。 本研究は, 量子ドットアレイとフェルミイオン超低温原子を用いた光格子実験において検証可能である。

Discrete time-crystals are periodically driven quantum many-body systems with broken discrete-time translational symmetry, a non-equilibrium steady state representing self-organization of motion of quantum particles. Observations of discrete time-crystalline order are currently limited to magneto-optical experiments. Crucially, it was never observed in a transport experiment performed on systems connected to external electrodes. Here we demonstrate that both discrete time-crystal and quasi-crystal survive a very general class of environment corresponding to single-particle gain and loss through system-electrode coupling over experimentally relevant timescales. Using dynamical symmetries, we analytically identify the conditions for observing time-crystalline behavior in a periodically driven open Fermi-Hubbard chain attached to electrodes. Remarkably, the spin-polarized transport current directly manifests the existence of a time-crystalline behavior. Our findings are verifiable in present-day experiments with quantum-dot arrays and Fermionic ultra-cold atoms in optical lattices.
公開日:2022-05-14
翻訳日:2023-03-23 00:07:52
# 回路qedにおける単一光子状態キュービットとコヒーレント状態キュービット間の量子絡み合い状態の伝達

Transferring quantum entangled states between multiple single-photon-state qubits and coherent-state qubits in circuit QED ( http://arxiv.org/abs/2107.04203v1 )

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Qi-Ping Su, Hanyu Zhang, Chui-Ping Yang(参考訳) 超伝導フラックス量子ビットに結合した2n個のマイクロ波キャビティを用いて、n個の単光子状態(SPS)量子ビットをn個のコヒーレント状態(CS)量子ビットに最大あるいは部分的に絡み合った状態に転送する方法を提案する。 ここでのSPS量子ビットの2つの論理状態は空洞の真空状態と単光子状態で表され、CS量子ビットの2つの論理状態は空洞の2つのコヒーレント状態で符号化される。 カプラとして1つの超伝導クトリットのみを使用するため、回路アーキテクチャは大幅に単純化される。 状態転送の動作時間はキュービット数の増加とともに増加しない。 系の散逸が無視できる場合、量子状態は測定が不要であるため決定論的に転送することができる。 さらに、カプラキュトリットの高エネルギー中間レベルは全操作中に励起されず、キュトリットからの脱コヒーレンスを大幅に抑制する。 具体例として、2つのSPS量子ビットのベル状態の2つのCS量子ビットへの高忠実転送が、現在の回路QED技術で実現可能であることを示す。 最後に、散逸が無視できるとき、n個のCS量子ビットの絡み合った状態は、逆演算を行うことでn個のSPS量子ビットに戻すことができることに注意する必要がある。 この提案は非常に一般的であり、自然な原子または人工原子を使用して2nマイクロ波または光学共振器を結合することにより、同じタスクを達成するために拡張することができる。

We present a way to transfer maximally- or partially-entangled states of n single-photon-state (SPS) qubits onto n coherent-state (CS) qubits, by employing 2n microwave cavities coupled to a superconducting flux qutrit. The two logic states of a SPS qubit here are represented by the vacuum state and the single-photon state of a cavity, while the two logic states of a CS qubit are encoded with two coherent states of a cavity. Because of using only one superconducting qutrit as the coupler, the circuit architecture is significantly simplified. The operation time for the state transfer does not increase with the increasing of the number of qubits. When the dissipation of the system is negligible, the quantum state can be transferred in a deterministic way since no measurement is required. Furthermore, the higher-energy intermediate level of the coupler qutrit is not excited during the entire operation and thus decoherence from the qutrit is greatly suppressed. As a specific example, we numerically demonstrate that the high-fidelity transfer of a Bell state of two SPS qubits onto two CS qubits is achievable within the present-day circuit QED technology. Finally, it is worthy to note that when the dissipation is negligible, entangled states of n CS qubits can be transferred back onto n SPS qubits by performing reverse operations. This proposal is quite general and can be extended to accomplish the same task, by employing a natural or artificial atom to couple 2n microwave or optical cavities.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:07:35
# ポラリトンシミュレーションによる実空間における超高速コヒーレンス非局在化

Ultrafast Coherence Delocalization in Real Space Simulated by Polaritons ( http://arxiv.org/abs/2107.04162v1 )

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Bo Xiang, Zimo Yang, Yi-Zhuang You, Wei Xiong(参考訳) 超高速2次元赤外高スペクトルイメージングにより, 時間, 周波数, 空間領域における結合キャビティ分子偏光子プラットフォーム上のコヒーレンス非局在化を検討した。 周波数および実空間において一方向コヒーレンス非局在化(一つの空洞から別の空洞へのコヒーレンス移動で調製したコヒーレンス)が観察された。 この方向性は、lindblad dynamicsによって記述された高エネルギーモードから低エネルギーモードへの非局在光子の散逸によって実現された。 さらなる実験により、コヒーレンスがキャビティ間(異なるキャビティからのポラリトン間の重ね合わせ)で直接合成されたとき、エネルギー的に近傍のポラリトンのみが長距離環境変動を生き残ったコヒーレンスを形成することができた。 リンドブラッド力学とともに、この結果はコヒーレンスが1段階の機構を通じて非局在化され、光子が1つの空洞から別の空洞へ移動し、自然と人工の量子系におけるコヒーレンス進化に光を遮蔽することを示した。 この研究は光子と分子モードを組み合わせてコヒーレンス力学をシミュレートする方法も示した。

We investigated coherence delocalization on a coupled-cavity molecular polariton platform in time, frequency, and spatial domains, enabled by ultrafast two-dimensional infrared hyperspectral imaging. Unidirectional coherence delocalization (coherence prepared in one cavity transfer to another cavity) was observed in frequency and real spaces. This directionality was enabled by dissipation of delocalized photon from high-energy to low-energy modes, described by Lindblad dynamics. Further experiments showed that when coherences were directly prepared across cavities (superpositions between polaritons from different cavities), only energetically nearby polaritons could form coherences that survived the long-range environmental fluctuation. Together with the Lindblad dynamics, this result implied that coherences delocalized through a one-step mechanism where photons transferred from one cavity to another, shedding lights to coherence evolution in natural and artificial quantum systems. This work also demonstrated a way of combining photon and molecular modes to simulate coherence dynamics.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:07:06
# 集団結合レジームにおける振動ポラリトン化学の理論

Theory of Vibrational Polariton Chemistry in the Collective Coupling Regime ( http://arxiv.org/abs/2107.04156v1 )

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Arkajit Mandal, Xinyang Li, Pengfei Huo(参考訳) 分子振動を光学キャビティと結合させることで化学反応速度定数を著しく抑制し,集合結合効果と速度定数のキャビティ周波数変化の両方を示すことを理論的に証明した。 反応座標が溶媒分子に強く結合すると、動的カウジング効果により反応速度定数が低下する。 また, 溶媒をキャビティに結合させることにより, この動的カウジング効果をさらに高め, 化学速度のさらなる抑制が期待できることを示した。 この効果はキャビティ損失を考慮するとさらに増幅される。

We theoretically demonstrate that chemical reaction rate constant can be significantly suppressed by coupling molecular vibrations with an optical cavity, exhibiting both the collective coupling effect and the cavity-frequency modification of the rate constant. When a reaction coordinate is strongly coupled to the solvent molecules, the reaction rate constant is reduced due to the dynamical caging effect. We demonstrate that collectively coupling the solvent to the cavity can further enhance this dynamical caging effect, leading to additional suppression of the chemical kinetics. This effect is further amplified when cavity loss is considered.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:06:44
# マクロゆらぎ理論は量子化できるのか?

Can the Macroscopic Fluctuation Theory be Quantized? ( http://arxiv.org/abs/2107.04442v2 )

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Denis Bernard(参考訳) 巨視的ゆらぎ理論は、古典的平衡外拡散系における輸送とそのゆらぎを記述するための有効な枠組みである。 マクロ的ゆらぎ理論が量子領域に拡張され、この拡張がどの形になるかはまだ未解明だが、タイムリーな問題である。 この短い序論レビューでは、マクロ揺らぎ理論の量子バージョンが対処できる可能性と、量子単純排他過程の解析がこれらの疑問に対してどのように答えをもたらすかについて議論する。

The Macroscopic Fluctuation Theory is an effective framework to describe transports and their fluctuations in classical out-of-equilibrium diffusive systems. Whether the Macroscopic Fluctuation Theory may be extended to the quantum realm and which form this extension may take is yet terra incognita but is a timely question. In this short introductory review, I discuss possible questions that a quantum version of the Macroscopic Fluctuation Theory could address and how analysing Quantum Simple Exclusion Processes yields pieces of answers to these questions.
公開日:2021-09-29
翻訳日:2023-03-23 00:02:39
# リン酸ガリウムの超低雑音マイクロ波と光学変換

Ultra-low-noise Microwave to Optics Conversion in Gallium Phosphide ( http://arxiv.org/abs/2107.04433v2 )

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Robert Stockill, Moritz Forsch, Frederick Hijazi, Gr\'egoire Beaudoin, Konstantinos Pantzas, Isabelle Sagnes, R\'emy Braive, Simon Gr\"oblacher(参考訳) メカニカル共振器は、マイクロ波領域と光領域に単一光子を結合する優れた中間体として機能する。 それでも、周波数間の大きなエネルギー差を克服するために必要な光ポンプは、変換された信号に大きなノイズを与えることができる。 ここでは、薄膜リン酸化ガリウムの特性を利用してマイクロ波と光周波数の双方向オンチップ変換を実証し、ギガヘルツ周波数光機械共振器の圧電振動により実現している。 大型の光機械的カップリングと2光子吸収の抑制は、この装置を1以上の光力学的協調性で動作させることを可能にする。 あるいは、パルスアップコンバージョンポンプを使用する場合、熱雑音フォノンを1つ未満で発生させることを実証する。 機械的負荷を50-Ohmソースで媒介する高インピーダンスオンチップ整合共振器を含む。 本研究は,マイクロ波と光周波数間の光子の超低雑音変換のための汎用プラットフォームとしてガリウムホスフォヒドを確立した。

Mechanical resonators can act as excellent intermediaries to interface single photons in the microwave and optical domains due to their high quality factors. Nevertheless, the optical pump required to overcome the large energy difference between the frequencies can add significant noise to the transduced signal. Here we exploit the remarkable properties of thin-film gallium phosphide to demonstrate bi-directional on-chip conversion between microwave and optical frequencies, realized by piezoelectric actuation of a Gigahertz-frequency optomechanical resonator. The large optomechanical coupling and the suppression of two-photon absorption in the material allows us to operate the device at optomechanical cooperativities greatly exceeding one. Alternatively, when using a pulsed upconversion pump, we demonstrate that we induce less than one thermal noise phonon. We include a high-impedance on-chip matching resonator to mediate the mechanical load with the 50-Ohm source. Our results establish gallium phosphide as a versatile platform for ultra-low-noise conversion of photons between microwave and optical frequencies.
公開日:2022-11-25
翻訳日:2023-03-23 00:02:29
# ランダウアー境界を超える実験的非平衡メモリ消去

Experimental nonequilibrium memory erasure beyond Landauer's bound ( http://arxiv.org/abs/2107.04429v1 )

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Mario A. Ciampini, Tobias Wenzl, Michael Konopik, Gregor Thalhammer, Markus Aspelmeyer, Eric Lutz, Nikolai Kiesel(参考訳) デジタル情報のクリーンな世界は、ノイズの多い物理デバイスに基づいている。 ランダウアーの原理は、論理的に不可逆な変換のエネルギー消費と熱生成の限界を低く設定することで、情報処理と基礎となる熱力学の深い関係を提供する。 ランダウアーの元々の定式化は平衡を仮定するが、実際の装置はしばしば平衡から遠く離れている。 メモリ状態の非平衡特性により、消費電力の低減と負の熱発生を伴う全消去が可能となることを実験的に示す。 最適化された消去プロトコルを2状態メモリに実装する。 この目的のために, 非線形ポテンシャルランドスケープの動的形状をレヴィトダイナミクスの強力なツールとして, および非平衡過程の研究として導入する。

The clean world of digital information is based on noisy physical devices. Landauer's principle provides a deep connection between information processing and the underlying thermodynamics by setting a lower limit on the energy consumption and heat production of logically irreversible transformations. While Landauer's original formulation assumes equilibrium, real devices often do operate far from equilibrium. We show experimentally that the nonequilibrium character of a memory state enables full erasure with reduced power consumption as well as negative heat production. We implement the optimized erasure protocols in an optomechanical two-state memory. To this end, we introduce dynamical shaping of nonlinear potential landscapes as a powerful tool for levitodynamics as well as the investigation of far-from-equilibrium processes.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:02:12
# マルコフ環境における最適非平衡温度測定

Optimal nonequilibrium thermometry in Markovian environments ( http://arxiv.org/abs/2107.04425v2 )

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Pavel Sekatski, Mart\'i Perarnau-Llobet(参考訳) 温度を測るのに必要な最低時間は何時ですか。 本稿では,興味のある試料と弱結合したプローブ(温度計)を測定して温度を推定するプロセスにおいて,この問題を解くことにより,プローブの進化を量子マルコフマスター方程式によりよく記述する。 プローブ上の最も一般的な制御戦略(適応測定、プローブの状態およびハミルトニアンの任意の制御)を考えると、我々は有限時間内に達成可能な測定精度の境界を提供し、多くのシナリオにおいてこれらの基本的な限界が比較的単純な実験で飽和できることを示す。 試料-プローブ相互作用の一般クラスでは, 測定の不確かさのスケーリングはプロセスの時間と逆比例し, 温度測定の散逸性に起因するショットノイズのような挙動が生じることがわかった。 その結果, プローブ-サンプル相互作用によって誘起されるラムシフトが温度測定において重要な役割を担い, 低温状態での有限測定分解能が期待できることがわかった。 より正確には、測定の不確かさは、通常の指数崩壊である$t^{-1}$とは対照的に、温度が$t\rightarrow 0$と多項式的に崩壊する。 これらの一般的な結果を説明します i) ボソニックサンプルと相互作用するクォービットプローブで、ラムシフトの役割が強調され、 (ii)$N$-qubitプローブとサンプルとの集合超ラジカルカップリングにより、測定の不確かさを$N$で二次崩壊させることができる。

What is the minimum time required to take a temperature? In this paper, we solve this question for a large class of processes where temperature is inferred by measuring a probe (the thermometer) weakly coupled to the sample of interest, so that the probe's evolution is well described by a quantum Markovian master equation. Considering the most general control strategy on the probe (adaptive measurements, arbitrary control on the probe's state and Hamiltonian), we provide bounds on the achievable measurement precision in a finite amount of time, and show that in many scenarios these fundamental limits can be saturated with a relatively simple experiment. We find that for a general class of sample-probe interactions the scaling of the measurement uncertainty is inversely proportional to the time of the process, a shot-noise like behaviour that arises due to the dissipative nature of thermometry. As a side result, we show that the Lamb shift induced by the probe-sample interaction can play a relevant role in thermometry, allowing for finite measurement resolution in the low-temperature regime. More precisely, the measurement uncertainty decays polynomially with the temperature as $T\rightarrow 0$, in contrast to the usual exponential decay with $T^{-1}$. We illustrate these general results for (i) a qubit probe interacting with a bosonic sample, where the role of the Lamb shift is highlighted, and (ii) a collective superradiant coupling between a $N$-qubit probe and a sample, which enables a quadratic decay with $N$ of the measurement uncertainty.
公開日:2022-12-01
翻訳日:2023-03-23 00:02:02
# ド・ジッター時空の双曲真空中の球によって誘起されるカシミール密度

Casimir densities induced by a sphere in the hyperbolic vacuum of de Sitter spacetime ( http://arxiv.org/abs/2107.04376v1 )

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A. A. Saharian, T. A. Petrosyan(参考訳) モードの完全集合とアダマール関数は (D+1)-次元ド・ジッター時空における球面内および外部のスカラー場に対して負の定数曲率空間で分離される。 体は球面上のロビン境界条件に従うと仮定する。 球によって誘導されるアダマール関数の寄与を明示的に分離し, 双極子およびエネルギー-モーメントテンソルの真空期待値(VEVs)を双曲真空に対して検討した。 平坦な時空極限では、後者はミルネ宇宙の共形真空に還元され、最大対称の束-デイヴィス真空状態とは異なる。 真空エネルギー運動量テンソルは、放射方向のエネルギーフラックスを記述する非零オフ対角成分を有する。 後者は純粋に球面誘起効果であり、境界自由幾何には存在しない。 ロビン境界条件の定数と放射座標によっては、エネルギーフラックスは球面からまたは球面へ向けることができる。 宇宙膨張の初期段階では、時空曲率が球によって誘導されるVEVに与える影響は弱く、対応する膨張の先頭の項は、ミルヌ宇宙の球のそれと一致する。 重力場の影響は、膨張の後期において不可欠である。 磁場質量と曲率結合パラメータに依存すると、時間座標の関数としての球誘起VEVの崩壊は単調または減衰振動である。 球面から遠く離れたところでは、測地線距離の関数としての球面誘起VEVの降下は、質量場と質量場の両方に対して指数関数的である。

Complete set of modes and the Hadamard function are constructed for a scalar field inside and outside a sphere in (D+1)-dimensional de Sitter spacetime foliated by negative constant curvature spaces. We assume that the field obeys Robin boundary condition on the sphere. The contributions in the Hadamard function induced by the sphere are explicitly separated and the vacuum expectation values (VEVs) of the field squared and energy-momentum tensor are investigated for the hyperbolic vacuum. In the flat spacetime limit the latter is reduced to the conformal vacuum in the Milne universe and is different from the maximally symmetric Bunch-Davies vacuum state. The vacuum energy-momentum tensor has a nonzero off-diagonal component that describes the energy flux in the radial direction. The latter is a purely sphere-induced effect and is absent in the boundary-free geometry. Depending on the constant in Robin boundary condition and also on the radial coordinate, the energy flux can be directed either from the sphere or towards the sphere. At early stages of the cosmological expansion the effects of the spacetime curvature on the sphere-induced VEVs are weak and the leading terms in the corresponding expansions coincide with those for a sphere in the Milne universe. The influence of the gravitational field is essential at late stages of the expansion. Depending on the field mass and the curvature coupling parameter, the decay of the sphere-induced VEVs, as functions of the time coordinate, is monotonic or damping oscillatory. At large distances from the sphere the fall-off of the sphere-induced VEVs, as functions of the geodesic distance, is exponential for both massless and massive fields.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:01:36
# 分離可能な数値範囲による自信エンタングルメント検出

Confident entanglement detection via separable numerical range ( http://arxiv.org/abs/2107.04365v1 )

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Timo Simnacher, Jakub Czartowski, Konrad Szyma\'nski and Karol \.Zyczkowski(参考訳) 我々は、複数の測定値のジョイント(分離可能な)数値範囲、すなわち、与えられた観測値に対して(分離可能な)量子状態でアクセス可能な期待値の領域について検討する。 これは効率の良い絡み合い検出を可能にするだけでなく、量子状態の集合の幾何学にも光を当てる。 より正確には、実験において、得られたデータに対する信頼領域と分離可能な数値範囲が解離した場合、絡み合いを確実に検出する。 概して、このような実験の成功は、分離可能な数値範囲が測定された観測値の標準数値範囲と比較されるほど小さい可能性が高い。 これら2つの体積の比を用いてこの関係を定量化し、任意の粒子数、局所次元および測定数に対して解析的境界を与えることなく、任意に小さくすることはできないことを示す。 さらに, 2つの局所トレースのない2量子ビット生成可観測器の分離可能領域と標準数値範囲の体積を明示的に計算する。 さらに、一般的な観測可能量と極端なインスタンスに対する典型的な体積比を考察する。

We investigate the joint (separable) numerical range of multiple measurements, i.e., the regions of expectation values accessible with (separable) quantum states for given observables. This not only enables efficient entanglement detection, but also sheds light on the geometry of the set of quantum states. More precisely, in an experiment, if the confidence region for the obtained data and the separable numerical range are disjoint, entanglement is reliably detected. Generically, the success of such an experiment is more likely the smaller the separable numerical range is compared to the standard numerical range of the observables measured. We quantify this relation using the ratio between these two volumes and show that it cannot be arbitrarily small, giving analytical bounds for any number of particles, local dimensions as well as number of measurements. Moreover, we explicitly compute the volume of separable and standard numerical range for two locally traceless two-qubit product observables, which are of particular interest as they are easier to measure in practice. Furthermore, we consider typical volume ratios for generic observables and extreme instances.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:01:07
# 無反射ポテンシャルに対するグリーン関数と超対称パートナーを見つけるためのパワーローポテンシャルへの境界状態の追加

Green's functions for reflectionless potentials and addition of boundstates to powerlaw potentials to find Supersymmetric partners ( http://arxiv.org/abs/2107.04332v1 )

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C.V.Sukumar(参考訳) グリーンの無反射ポテンシャル関数は構成され、解析される。 電力法ポテンシャルのグリーン関数,超対称性パートナー,固有値の和規則について検討した。 付加境界状態が$e=0$である法ポテンシャルを動力とするsusyパートナーポテンシャルが構成される。

Green's functions for reflectionless potentials are constructed and analyzed. Green's functions for power law potentials, their Super Symmetric partners and sum rules for eigenvalues are examined. The SUSY partner potentials to power law potentials which have an additional bound state at $E=0$ are constructed.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:00:48
# プラトン絡み合い

Platonic Entanglement ( http://arxiv.org/abs/2107.04329v1 )

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Jos\'e I. Latorre and Germ\'an Sierra(参考訳) 本稿では, Acillary Absolute Maximally Entangled (AME) 状態に基づくテンソルネットワークを用いて, プラトニックソリッドの位相上で定義される強絡状態の構成について述べる。 ドデカヘドロン上のAME(5,2)に基づく量子状態の例を用いて、このアイデアを説明する。 このような状態のエントロピーを多くの異なる分割で解析し、それらが整数上で発生し、ほぼ極大であるのを観測する。 また,すべてのプラトニックソリッドは,面数,頂点数,辺数が常に素数プラス1であるため,リード・ソロモン符号に基づくAME状態の構成を受け入れる。

We present a construction of highly entangled states defined on the topology of a platonic solid using tensor networks based on ancillary Absolute Maximally Entangled (AME) states. We illustrate the idea using the example of a quantum state based on AME(5,2) over a dodecahedron. We analyze the entropy of such states on many different partitions, and observe that they come on integer numbers and are almost maximal. We also observe that all platonic solids accept the construction of AME states based on Reed-Solomon codes since their number of facets, vertices and edges are always a prime number plus one.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-23 00:00:42
# テンソル分解に基づく可逆論理回路合成アルゴリズム

An Algorithm for Reversible Logic Circuit Synthesis Based on Tensor Decomposition ( http://arxiv.org/abs/2107.04298v3 )

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Hochang Lee and Kyung Chul Jeong and Daewan Han and Panjin Kim(参考訳) 可逆論理合成のためのアルゴリズムを提案する。 与えられた$n$-bit置換写像 $P_n: \{0,1\}^n \rightarrow \{0,1\}^n$ に対して、地図を実装する可逆論理ゲートの列を見つける。 この作品で採用されたゲートライブラリは、複数の制御された toffoli ゲートから成り、$c^m\! X$、$m$は0から$n-1$までの制御ビットの数である。 大きな$m \,\,(>2)$の制御ゲートはさらに$C^0\!に分解される。 X$, $C^1\! X$, and $C^2\! X$ゲート。 アルゴリズムの設計における主な関心事は、$C^2\!の使用を減らすことである。 X$ゲート(トフォリゲートとも呼ばれる)は普遍的であることが知られている。 主なアイデアは、n$-bit置換写像をランク-$2n$テンソルとして表示し、その結果の写像をランク-($2n-2$)テンソルと$2\times 2$の同一行列のテンソル積として書けるように変換することである。 $\mathcal{P}_n$ をすべての$n$-bit置換写像の集合とする。 サイズ縮小写像 $\mathcal{A}_{\rm red}: \mathcal{P}_n \rightarrow \{P_n: P_n = P_{n-1} \otimes I_2\}$ が見つかる。 ここで$i_m$は$m\times m$ identity matrixである。 出力の$p_{n-1} \otimes i_2$が$n-1$bitsのみに対して非自明に振る舞うことが分かるので、合成されるマップは$p_{n-1}$となる。 サイズ削減プロセスは、わずか2 \times 2$行列のテンソル積に達するまで反復的に適用される。

An algorithm for reversible logic synthesis is proposed. The task is, for a given $n$-bit substitution map $P_n: \{0,1\}^n \rightarrow \{0,1\}^n$, to find a sequence of reversible logic gates that implements the map. The gate library adopted in this work consists of multiple-controlled Toffoli gates denoted by $C^m\!X$, where $m$ is the number of control bits that ranges from 0 to $n-1$. Controlled gates with large $m \,\,(>2)$ are then further decomposed into $C^0\!X$, $C^1\!X$, and $C^2\!X$ gates. A primary concern in designing the algorithm is to reduce the use of $C^2\!X$ gate (also known as Toffoli gate) which is known to be universal. The main idea is to view an $n$-bit substitution map as a rank-$2n$ tensor and to transform it such that the resulting map can be written as a tensor product of a rank-($2n-2$) tensor and the $2\times 2$ identity matrix. Let $\mathcal{P}_n$ be a set of all $n$-bit substitution maps. What we try to find is a size reduction map $\mathcal{A}_{\rm red}: \mathcal{P}_n \rightarrow \{P_n: P_n = P_{n-1} \otimes I_2\}$. %, where $I_m$ is the $m\times m$ identity matrix. One can see that the output $P_{n-1} \otimes I_2$ acts nontrivially on $n-1$ bits only, meaning that the map to be synthesized becomes $P_{n-1}$. The size reduction process is iteratively applied until it reaches tensor product of only $2 \times 2$ matrices.
公開日:2021-11-03
翻訳日:2023-03-23 00:00:29
# 量子回路冷凍における電荷動態:熱化とマイクロ波利得

Charge dynamics in quantum-circuit refrigeration: thermalization and microwave gain ( http://arxiv.org/abs/2107.04278v1 )

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Hao Hsu, Matti Silveri, Vasilii Sevriuk, Mikko M\"ott\"onen, Gianluigi Catelani(参考訳) 通常の金属-絶縁体-超導体接合による光子補助トンネルの研究は、量子電気回路の散逸をその場で制御するための便利なツールを提供する可能性を示した。 しかし、そのような量子回路冷凍機(QCR)に関する現在の文献では、トンネル過程の電荷ダイナミクスやオープン量子系の位相コヒーレンスについて詳細な記述は示されていない。 ここでは、量子電気と電荷の自由度の両方を記述するマスター方程式を導出し、低温と低電荷エネルギーの典型的な実験パラメータが電荷と量子力学の時間スケールの分離をもたらすことを発見する。 したがって、電荷分布を平均化することにより、異なる電荷状態のマイナーな効果を考慮に入れることができる。 また、交流電圧をトンネル接合に印加することにより、駆動振幅を変化させて超伝導量子ビットの減衰率を4桁以上制御可能とし、40 nsでの量子ビット励起の桁数低下と10^{-4}$以下の残留リセットを求める。 さらに、通常の島では、超伝導ギャップ、すなわち量子ドットに比べて電荷エネルギーと単一粒子レベルが大きな場合を考える。 このような点QCRから生じる減衰速度は量子ビットリセットにおいて低いように見えるが、結合マイクロ波共振器に効果的な負減衰(利得)を与えることができる。 そのようなミリケルビンマイクロ波源のファノ係数はユニティよりも小さくなり、後者の値は最大到達可能電力に近い値に達する。

Previous studies of photon-assisted tunneling through normal-metal-insulator-superconductor junctions have exhibited potential for providing a convenient tool to control the dissipation of quantum-electric circuits in-situ. However, the current literature on such a quantum-circuit refrigerator (QCR) does not present a detailed description for the charge dynamics of the tunneling processes or the phase coherence of the open quantum system. Here we derive a master equation describing both quantum-electric and charge degrees of freedom, and discover that typical experimental parameters of low temperature and yet lower charging energy yield a separation of time scales for the charge and quantum dynamics. Consequently, the minor effect of the different charge states can be taken into account by averaging over the charge distribution. We also consider applying an ac voltage to the tunnel junction, which enables control of the decay rate of a superconducting qubit over four orders of magnitude by changing the drive amplitude; we find an order-of-magnitude drop in the qubit excitation in 40 ns and a residual reset infidelity below $10^{-4}$. Furthermore, for the normal island we consider the case of charging energy and single-particle level spacing large compared to the superconducting gap, i.e., a quantum dot. Although the decay rates arising from such a dot QCR appear low for use in qubit reset, the device can provide effective negative damping (gain) to the coupled microwave resonator. The Fano factor of such a millikelvin microwave source may be smaller than unity, with the latter value being reached close to the maximum attainable power.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:59:48
# 重力sagによる殻状凝縮:接触と双極子相互作用

Shell-shaped condensates with gravitational sag: contact and dipolar interactions ( http://arxiv.org/abs/2107.04577v1 )

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Maria Arazo, Ricardo Mayol, Montserrat Guilleumas(参考訳) 小重力下での気泡トラップポテンシャルにおけるボース・アインシュタイン凝縮について検討する。 特に,薄い殻に注目し,接触と双極子相互作用の凝縮の研究を行う。 まず,双極子相互作用の異方性の影響を解析し,双極子と重力の偏光軸がわずかに不一致の場合,すでに重力の欠如に現れている。 そこで, 微小重力場において, 重力方向の瞬時に傾いたり, 重力強度の急激な変化によって引き起こされた, 薄い貝殻状凝縮体の小さな振動のダイナミクスについて検討した。 このシステムは、宇宙実験室で重力センサーを実現するための予備段階となるかもしれない。

We investigate Bose-Einstein condensates in bubble trap potentials in the presence of a small gravity. In particular, we focus on thin shells and study both contact and dipolar interacting condensates. We first analyze the effects of the anisotropic nature of the dipolar interactions, which already appear in the absence of gravity and are enhanced when the polarization axis of the dipoles and the gravity are slightly misaligned. Then, in the small gravity context, we investigate the dynamics of small oscillations of these thin, shell-shaped condensates triggered either by an instantaneous tilting of the gravity direction or by a sudden change of the gravity strength. This system could be a preliminary stage for realizing a gravity sensor in space laboratories.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:53:34
# KscAイオンチャネルの量子モデルにおける輸送しきい値

Transport threshold in a quantum model for the KscA ion channel ( http://arxiv.org/abs/2107.04573v1 )

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N. De March, S. D. Prado and L. G. Brunnet(参考訳) K$^{+}$チャネルにおける高いスループット率の背後にあるメカニズムは、まだ未解決の問題である。 最近のシミュレーションにより、k$^{+}$チャネルコアを通るカリウムの通過(いわゆる選択性フィルター(sf))は、クーロン反発の強さがイオン伝導を凍結するモデルに対して無水であることが示されている。 量子コヒーレントホッピングはイオン伝導の仲介に関係があることが示唆されている。 量子的アプローチと経路に沿った解離したイオンの仮説の中で、ソース内の多数の粒子から始まり、ドレインで収集されるサイトの線形連鎖によってモデル化されたSFをどう通過するかを確認する。 その結果、SF占有率の平均は3イオンであり、これは最近の古典的モデルシミュレーションと一致していることがわかった。

The mechanism behind the high throughput rate in K$^{+}$ channels is still an open problem. Recent simulations have shown that the passage of potassium through the K$^{+}$ channel core, the so-called selectivity filter (SF), is water-free against models where the strength of Coulomb repulsion freezes ions conduction. It has been suggested that quantum coherent hopping might be relevant in mediating ion conduction. Within the quantum approach and the hypothesis of desolvated ions along the pathway, we start with a number of particles in a source to see how they go across the SF modeled by a linear chain of sites to be collected in a drain. As a main result we show that there is a threshold SF occupancy is three ions on average, which is in agreement with recent classical model simulations.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:53:20
# ペア生産のない電界崩壊:格子, ボゾン化, および新しい世界ライン・スタントン

Electric Field Decay Without Pair Production: Lattice, Bosonization and Novel Worldline Instantons ( http://arxiv.org/abs/2107.04561v3 )

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Xu-Yao Hu, Matthew Kleban and Cedric Yu(参考訳) 電場はシュウィンガー効果、荷電粒子-反粒子対の核化によって自然に崩壊し、臨界距離$d$で分離される。 利用可能な距離が$d$より小さい場合はどうなりますか? この問題に関する以前の研究は矛盾する結果をもたらした。 ここで、電場の量子進化を、大質量シュウィンガーモデルを用いて、大電荷フェルミオンを持つ1つの空間次元における量子電磁力学を用いて、l < d$の円周でコンパクトな方向を向いたときに研究する。 我々は、以前の全ての推定に反する新しい物理結果をもたらす新しい、以前は未知の瞬間群を発見した。 場の値が量子論でよく定義できるパラメータ・レジームでは、ジェネリック初期場 $e$ は実際に安定であり、崩壊しないが、電荷 $e = (k/2) g$ と $k\in \mathbb z$ oscillate の半整数単位で量子化される初期値は $+(k/2) g$ から $-(k/2) g$ となり、指数関数的に他の値を取る確率は小さい。 格子上のローレンツ時間の崩壊を直接測定し,ハミルトニアンスペクトルを用いて数値的に測定し,シュウィンガーモデルのボーソライズド記述を用いて数値的,半解析的に測定し,instanton推定により解析的に検証した。

Electric fields can spontaneously decay via the Schwinger effect, the nucleation of a charged particle-anti particle pair separated by a critical distance $d$. What happens if the available distance is smaller than $d$? Previous work on this question has produced contradictory results. Here, we study the quantum evolution of electric fields when the field points in a compact direction with circumference $L < d$ using the massive Schwinger model, quantum electrodynamics in one space dimension with massive charged fermions. We uncover a new and previously unknown set of instantons that result in novel physics that disagrees with all previous estimates. In parameter regimes where the field value can be well-defined in the quantum theory, generic initial fields $E$ are in fact stable and do not decay, while initial values that are quantized in half-integer units of the charge $E = (k/2) g$ with $k\in \mathbb Z$ oscillate in time from $+(k/2) g$ to $-(k/2) g$, with exponentially small probability of ever taking any other value. We verify our results with four distinct techniques: numerically by measuring the decay directly in Lorentzian time on the lattice, numerically using the spectrum of the Hamiltonian, numerically and semi-analytically using the bosonized description of the Schwinger model, and analytically via our instanton estimate.
公開日:2022-03-30
翻訳日:2023-03-22 23:53:05
# プローブ型量子温度計の機械分類

Machine classification for probe based quantum thermometry ( http://arxiv.org/abs/2107.04555v2 )

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Fabr\'icio S. Luiz, A. de Oliveira Junior, Felipe F. Fanchini and Gabriel T. Landi(参考訳) プローブに基づく量子温度測定を考察し,機械分類が定量的な誤差評価を伴うモデル非依存推定を提供することを示す。 提案手法はk-nearest-neighborアルゴリズムに基づく。 この機械は、コンピュータシミュレーションまたは校正実験のデータを用いて訓練される。 これにより、新しい観測から温度を推定できる予測器が得られる。 このアルゴリズムは非常に柔軟で、どんなプローブでも観測できる。 また、実験的なエラーや実験パラメータに関する不確実性も組み込むことができる。 本手法はボースガス中の不純物温度計を用いて,rabiモデルにおける熱フォノン数の推定を行う。

We consider probe-based quantum thermometry and show that machine classification can provide model-independent estimation with quantifiable error assessment. Our approach is based on the k-nearest-neighbor algorithm. The machine is trained using data from either computer simulations or a calibration experiment. This yields a predictor which can be used to estimate the temperature from new observations. The algorithm is highly flexible and works with any kind of probe observable. It also allows to incorporate experimental errors, as well as uncertainties about experimental parameters. We illustrate our method with an impurity thermometer in a Bose-gas, as well as in the estimation of the thermal phonon number in the Rabi model.
公開日:2021-10-04
翻訳日:2023-03-22 23:52:29
# SherLOCKed:サイバーセキュリティ教育のための探偵テーマのシリアスゲーム

SherLOCKED: A Detective-themed Serious Game for Cyber Security Education ( http://arxiv.org/abs/2107.04506v1 )

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Alice Jaffray and Conor Finn and Jason R.C. Nurse(参考訳) ゲーミフィケーションとシリアスゲームは、多くの分野、特に教育を支援するために徐々に使われている。 このようなゲームは、生徒にコンテンツを与える新しい方法を提供し、より伝統的な学習アプローチを補完する。 この記事は、2Dトップダウンパズルアドベンチャーのスタイルで作られた新しい真剣なゲームであるSherLOCKEDを提案する。 このゲームは、学部のサイバーセキュリティコースの文脈にあり、学生の基本的なセキュリティ概念(ciaのトライアド、セキュリティの脅威と攻撃、リスク管理など)に関する知識を統合するために使用される。 sherlockedは、既存のシリアスゲームのレビューと共通のゲーミフィケーション原則の研究に基づいて構築された。 その後、学部で実施され、112名の学生で評価された。 このゲームは、学生が講義中に導入したコンテンツへのさらなるエンゲージメントを可能にする、効果的で魅力的で楽しいソリューションであることがわかった。 この研究は、サイバーセキュリティに関する学習を支援するシリアスゲームの使用に新たな証拠を与えている。

Gamification and Serious Games are progressively being used over a host of fields, particularly to support education. Such games provide a new way to engage students with content and can complement more traditional approaches to learning. This article proposes SherLOCKED, a new serious game created in the style of a 2D top-down puzzle adventure. The game is situated in the context of an undergraduate cyber security course, and is used to consolidate students' knowledge of foundational security concepts (e.g. the CIA triad, security threats and attacks and risk management). SherLOCKED was built based on a review of existing serious games and a study of common gamification principles. It was subsequently implemented within an undergraduate course, and evaluated with 112 students. We found the game to be an effective, attractive and fun solution for allowing further engagement with content that students were introduced to during lectures. This research lends additional evidence to the use of serious games in supporting learning about cyber security.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:52:19
# 臨界パラメトリック量子センシング

Critical parametric quantum sensing ( http://arxiv.org/abs/2107.04503v1 )

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R. Di Candia, F. Minganti, K. V. Petrovnin, G. S. Paraoanu and S. Felicetti(参考訳) 臨界量子システム(Critical quantum systems)は、相転移に近接して発達する拡散感受性のため、量子力学応用の有望な資源である。 ここでは、駆動散逸位相遷移中のパラメトリックカー共振器のメトロジーパワーを評価する。 周波数推定のための量子フィッシャー情報と周波数識別のためのヘルストロムバウンドを完全に特徴付ける。 漸近的な状態を超えて、実験的な到達可能なパラメータでハイゼンベルク精度を達成できることが示される。 我々は、非線形共振器の臨界挙動を利用して量子磁気センサの精度と超伝導量子ビット読み出しの忠実性を高めるプロトコルを設計する。

Critical quantum systems are a promising resource for quantum metrology applications, due to the diverging susceptibility developed in proximity of phase transitions. Here, we assess the metrological power of parametric Kerr resonators undergoing driven-dissipative phase transitions. We fully characterize the quantum Fisher information for frequency estimation, and the Helstrom bound for frequency discrimination. By going beyond the asymptotic regime, we show that the Heisenberg precision can be achieved with experimentally reachable parameters. We design protocols that exploit the critical behavior of nonlinear resonators to enhance the precision of quantum magnetometers and the fidelity of superconducting qubit readout.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:52:04
# 高調波発生によるツイストト秒パルス中のトーラス結び角運動量

Torus Knot Angular Momentum in Twisted Attosecond Pulses from High Harmonic Generation ( http://arxiv.org/abs/2107.04499v1 )

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Bj\"orn Minneker, Birger B\"oning, Anne Weber and Stephan Fritzsche(参考訳) 双円ねじれラゲール・ガウスビームは、新しい角運動量として、一定のトーラス結び目角運動量(TKAM)を持つ。 tkam は高調波発生のような非線形原子プロセスで保存され、時間遅延パラメータ $\tau$ と調整パラメータ $\gamma$ で分類することができる。 これらのパラメータは、それぞれ投影された軌道角運動量と2つの重ね合わせされたラゲール・ガウシアンビームのエネルギーによって定義される。 我々は、駆動ビームと高調波放射から$\tau$と$\gamma$を決定する一貫した幾何学的手法を導出した。 この方法は、放射される高調波放射に対する不変パラメータ($\tau$ と $\gamma$)の両方を関連づける。 したがって、$\tau$と$\gamma$は2つの異なるトーラス結び目から読み取ることができる。 これらの結び目は、それぞれの高調波放射または駆動ビームの電界の時空間的進化から構築することができる。 二次元ラゲール・ガウス線を明示的に照射した平面型原子ガスターゲットの分散パラメータの分類を実証する。 さらに、$\tau$ と $\gamma$ によって決定される各トーラス結び目は、小さな修正で互いに写像できることを示した。 この幾何学的手法は、純粋な形式的導出と比較して、不変パラメータである$\tau$ と $\gamma$ を解釈する異なる方法をもたらす。 この研究で示された研究は、前回の発見とよく一致し、双円状のラゲール・ガウスビームによって誘導される高調波発生の文脈におけるTKAMの動的対称性に関する洞察を与える。

Bicircular twisted Laguerre-Gaussian beams possess a definite torus knot angular momentum (TKAM) as a new form of angular momentum. TKAM is conserved in nonlinear atomic processes such as high harmonic generation and can be classified by a time delay parameter $\tau$ and a coordination parameter $\gamma$. These parameters are defined by the respective projected orbital angular momentum and the energy of the two superimposed Laguerre-Gaussian beams. We derive a consistent geometric method to determine $\tau$ and $\gamma$ from the driving beam as well as from the high harmonic radiation. This method relates both invariance parameters ($\tau$ and $\gamma$) to the emitted high harmonic radiation. Therefore, $\tau$ and $\gamma$ can be read off of two different torus knots. These knots can be constructed from the spatio-temporal evolution of the electric field of the respective high harmonic radiation or the driving beam. We demonstrate the classification of the invariance parameters for a planar atomic gas target irradiated by bicircular Laguerre-Gaussian beams explicitly. Furthermore, we demonstrate that the respective torus knots determined by $\tau$ and $\gamma$ can be mapped onto each other within minor modifications. This geometric method yields a different way to interpret the invariance parameters $\tau$ and $\gamma$ as well as their underlying relation compared to a purely formal derivation. The investigations presented in this work are in good agreement with previous findings and provide insight into the dynamical symmetry of TKAM in the context of high harmonic generation induced by bicircular twisted Laguerre-Gaussian beams.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:51:53
# サブケルビン温度における${}^{167}$Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$のスピンコヒーレンス寿命の延長

Extending the spin coherence lifetimes of ${}^{167}$Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$ at subkelvin temperatures ( http://arxiv.org/abs/2107.04498v2 )

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Jian-Yin Huang, Pei-Yun Li, Zong-Quan Zhou, Chuan-Feng Li, and Guang-Can Guo(参考訳) Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$は、テレコムバンド量子メモリとマイクロ波系で動作する量子コンピュータとの光通信に接続する量子トランスデューサに適合するため、特に興味のある材料である。 電子スピンと核スピンのコヒーレンス寿命を延長することは、そのようなハイブリッド電子核スピンシステムに基づく効率的な量子情報処理を実装するために不可欠である。 Er$^{3+}$:$Y$_2$SiO$_5$の電子スピンコヒーレンス時間は、これまでのところ数マイクロ秒に限られており、電子スピンと核スピンの両方に対してコヒーレンス寿命を同時に最適化する上で大きな課題がある。 ここでは,er$^{3+}$ドープ材料をサブケルビン温度でパルス電子核二重共鳴実験を行う。 最低動作温度では、電子スピンのコヒーレンス時間は290$\pm$ 17 $\mu$sに達するが、これは以前の結果と比べて40倍に向上している。 サブケルビンでは、核スピンコヒーレンス時間の急速な増加が観測され、最長コヒーレンス時間は738$\pm$ 6$\mu$sである。 これらの拡張コヒーレンス寿命は、ファイバーベースの量子ネットワークにおけるEr$^{3+}$:$Y$_2$SiO$_5$のさらなる応用に有用な資源となる。

Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$ is a material of particular interest due to its suitability for telecom-band quantum memories and quantum transducers interfacing optical communication with quantum computers working in the microwave regime. Extending the coherence lifetimes of the electron spins and the nuclear spins is essential for implementing efficient quantum information processing based on such hybrid electron-nuclear spin systems. The electron spin coherence time of Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$ is so far limited to several microseconds, and there are significant challenges in optimizing coherence lifetimes simultaneously for both the electron and nuclear spins. Here we perform a pulsed-electron-nuclear-double-resonance investigation for an Er$^{3+}$-doped material at subkelvin temperatures. At the lowest working temperature, the electron spin coherence time reaches 290 $\pm$ 17 $\mu$s, which has been enhanced by 40 times compared with the previous results. In the subkelvin regime, a rapid increase in the nuclear spin coherence time is observed, and the longest coherence time of 738 $\pm$ 6 $\mu$s is obtained. These extended coherence lifetimes could be valuable resources for further applications of Er$^{3+}$$:$Y$_2$SiO$_5$ in fiber-based quantum networks.
公開日:2022-06-25
翻訳日:2023-03-22 23:51:29
# 光キャビティにおける原子配列を用いた多重通信通信量子ネットワーク

Multiplexed telecom-band quantum networking with atom arrays in optical cavities ( http://arxiv.org/abs/2107.04477v1 )

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William Huie, Shankar G. Menon, Hannes Bernien, and Jacob P. Covey(参考訳) 通信帯域演算や大規模量子情報処理と互換性のある物質ベースの量子ビットの量子ネットワークノードの実現は、基本的な量子ネットワークの可能性を制限する優れた課題である。 マルチプレクサネットワークアーキテクチャにおいて、中性原子配列とテレコムバンド光子からなる量子プロセッサを相互接続するプラットフォームを提案する。 単一原子ではなく大きな原子配列を用いることで、双方向通信の有害な影響を緩和し、2つのノード間の絡み合いを2桁近く改善する。 さらに、各ノード内で高忠実度決定性ゲートと読み出しを同時に実行し、量子リピータへのドアを開き、ネットワークの長さと忠実度を高めるプロトコルを浄化する機能を提供する。 中間ノードを量子リピータとして使用することにより,実際の仮定に基づいて約1500kmにわたる絡み合い分布の実現可能性を示し,大陸間ネットワークの青写真を提供する。 最後に,分散フォールトトレラント量子コンピュータのバックボーンとして機能する,約25個のベルペアを大都市圏に分散できることを実証する。

The realization of a quantum network node of matter-based qubits compatible with telecom-band operation and large-scale quantum information processing is an outstanding challenge that has limited the potential of elementary quantum networks. We propose a platform for interfacing quantum processors comprising neutral atom arrays with telecom-band photons in a multiplexed network architecture. The use of a large atom array instead of a single atom mitigates the deleterious effects of two-way communication and improves the entanglement rate between two nodes by nearly two orders of magnitude. Further, this system simultaneously provides the ability to perform high-fidelity deterministic gates and readout within each node, opening the door to quantum repeater and purification protocols to enhance the length and fidelity of the network, respectively. Using intermediate nodes as quantum repeaters, we demonstrate the feasibility of entanglement distribution over approximately 1500 km based on realistic assumptions, providing a blueprint for a transcontinental network. Finally, we demonstrate that our platform can distribute approximately 25 Bell pairs over metropolitan distances, which could serve as the backbone of a distributed fault-tolerant quantum computer.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:51:02
# 外部電場との原子-球相互作用の制御

Controlling the atom-sphere interaction with an external electric field ( http://arxiv.org/abs/2107.04456v2 )

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P. P. Abrantes, V. Pessanha, Reinaldo de Melo e Souza, C. Farina(参考訳) 外部静電場の影響を受け, ナノスフィア近傍の偏光性原子で構成するシステムについて検討し, 静電相互作用により, 誘電性分散力を克服できることを示す。 したがって、物理的接触を必要とせず、外部のエージェントと積極的に調整できる有利な可能性に加えて、この力は反発的にもなり得る。 距離の異なる物理系でこの状況を解析し、金属球と誘電体球との相互作用を調べ、どの場合が制御しやすいかについて議論する。 さらに, 実験室のフィールド強度により, これらの反発力を達成できることが示唆された。

We investigate the system constituted by a polarizable atom near a nanosphere under the influence of an external electrostatic field, showing that the attractive dispersive force between them can be overcome by the electrostatic interaction. Therefore, in addition to the advantageous possibility of actively tuning the resultant force with an external agent without the requirement of physical contact, this force may also become repulsive. We analyze this situation in different physical regimes of distance and explore the interaction of different atoms with both metallic and dielectric spheres, discussing which cases are easier to control. Furthermore, our results reveal that these repulsive forces can be achieved with feasible field intensities in the laboratory.
公開日:2021-08-25
翻訳日:2023-03-22 23:50:44
# ブロックチェーンとスマートコントラクトにセマンティック記述が必要な理由

Why blockchain and smart contracts need semantic descriptions ( http://arxiv.org/abs/2107.14101v1 )

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Zoran \v{S}koda(参考訳) 私たちは、ブロックチェーンやスマートコントラクトの内容や振る舞いの背後にある、その特定のレベルの関連する現実の特徴を記述するレベルの階層が存在する、と論じています。 これらの記述の基礎の研究がこれらの記述の形式主義、ツール、標準を発達させ、設定すれば、これらの体系の選択、設計、監査、法的な統制はより情報化され、より容易で、より高いレベルに引き上げられる。

We argue that there is a hierarchy of levels describing to that particular level relevant features of reality behind the content and behavior of blockchain and smart contracts in their realistic deployment. Choice, design, audit and legal control of these systems could be more informed, easier and raised to a higher level, if research on foundations of these descriptions develops and sets the formalisms, tools and standards for such descriptions.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:44:16
# Smart Band: 緊急管理のための統合デバイス

Smart Band: An Integrated Device for Emergency Management ( http://arxiv.org/abs/2107.14100v1 )

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A. Jackulin Mahariba, Shivam Patel(参考訳) 誘拐や緊急事態の場合には、しばしば助けを求めるために無力化される。 そして通常、最初の応答者が到着するまでは遅すぎます。 現在、市場に出回っている「安全」デバイスは、あまり実用的でない電源ボタンをダブルタップしたり、そもそも大きな投資をしているスマートウォッチのアプリなど、あまりにも初歩的すぎることが多い。 Smart Bandは、誘拐、野生動物への正面対面、心臓発作などの危険な状況で自分自身を見つける人による物理的なトリガーの必要性を排除し、むしろ心拍を感知することを目的としている。 smart bandはパーソナライズされたウェアラブルデバイスとして設計されており、ユーザの心拍数を機械学習アルゴリズムを使って収集し、トレーニングすることで、イベントが特定された時にアラートシステムが自動的に起動される。 したがって、緊急状況を評価する精度が高く、虚偽率を低減することができる。 イベントが検出されると、バンドは第1応答者および緊急連絡先にgps座標を中継し、それはネットワークキャリア(simカードモジュール)を介してバンドから直接送信される。 基本的には、スマートバンドはgpsトラッカー、心拍センサー、ネットワークモジュール、bluetoothモジュールで構成されており、既存の技術はすべて大量生産されており、最終製品が手頃な価格で大量生産できる程度に大量生産されている。 さらなる開発では、スマートバンドは、その目的を自律的に果たすことができる、きめ細かいウェアラブルジュエリーにカスタマイズできる。

In the event of a kidnapping or a medical emergency, a person is often incapacitated to be able to call for help. And it's usually too late before the first responders arrive on-scene. Currently, a vast array of 'safety' devices available in the market are often far too rudimentary such as double tapping the power button that isn't very practical, or an app on a smart watch that is a huge investment in the first place. The Smart Band aims to eliminate the need for a physical trigger by the person who finds himself in dangerous situations like kidnapping, front-facing some wild animal, heart attack, etc., and rather senses the heartbeat. The Smart Band is designed as a personalized wearable device, wherein the user heart beat rate is collected and trained using machine learning algorithm, which triggers the alert system automatically when the event is identified. Hence the accuracy of assessing emergency situation will be high and false rate will be reduced. As soon as the event is detected, the band relays GPS coordinates to first responders and emergency contacts, which will be sent via the Network Carrier (SIM card module) directly from the band, not relying on a mobile phone, which is usually out of reach during such emergency situations. In essence, the Smart Band consists of a GPS tracker, a heartbeat sensor, a Network module, and a Bluetooth module, all existing technologies which have been mass produced to an extent that the end product can be made affordable, and in huge quantities as well. On further development the smart band can be customized to a finely wearable jewel which can serve the purpose autonomously.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:44:09
# 振動ポラリトン化学の理論へのロードマップ

A roadmap toward the theory of vibrational polariton chemistry ( http://arxiv.org/abs/2107.09026v1 )

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Derek S Wang and Susanne F Yelin(参考訳) 振動ポラリトン化学の分野は2016年に、室温での化学反応速度が外部に駆動することなく共鳴調整された赤外線キャビティ内で変化した際に確立された。 反応速度がなぜ変化するのかを理解するために世界中の科学者による激しい努力にもかかわらず、理論的な説明は存在しない。 この観点からは, まず, 反応物質濃度, キャビティ周波数, 対称性の役割をほのめかした, このセレント実験およびそれに続く関連する実験を概観する。 次に, 量子力学修飾遷移速度理論, フォトニック溶媒ケージ効果, 暗黒状態からの散逸の影響, 分子内振動エネルギー再分配による結合強化, 局所分子特性の総合的向上など, 主要な理論の関連性を分析する。 最後に、理論と理論家のための新しい経路をテストする実験を提案し、振動ポラリトン化学の理論へのロードマップを構築する。 強い結合機構の開始の重要性を理解し,反応経路の変化を捉えるための実験を設計し,さらにキャビティ修飾した分子内振動エネルギー再分配の理論と局所分子特性の総合的強化が次の重要なステップであると考えている。 この視点が振動偏光子化学の分野の研究を導くための貴重な資源になることを願っている。

The field of vibrational polariton chemistry was firmly established in 2016 when a chemical reaction rate at room temperature was modified within a resonantly tuned infrared cavity without externally driving the system. Despite intense efforts by scientists around the world to understand why the reaction rate changes, no convincing theoretical explanation exists. In this perspective, first, we briefly review this seminal experiment, as well as relevant experiments that have since followed that have hinted at the roles of reactant concentration, cavity frequency, and symmetry. Then, we analyze the relevance of leading theories, such as quantum electrodynamics-modified transition rate theories, the photonic solvent cage effect, the impact of dissipation from dark states, bond strengthening via intramolecular vibrational energy redistribution, and collectively enhanced local molecular properties. Finally, we construct a roadmap toward the theory of vibrational polariton chemistry by suggesting experiments to test theories and new paths for theorists. We believe that understanding the importance of the onset of the strong coupling regime, designing experiments to capture changes in reaction pathways, and further developing the theories of cavity-modified intramolecular vibrational energy redistribution and collectively enhanced local molecular properties are crucial next steps. We hope this perspective will be a valuable resource for guiding research in the field of vibrational polariton chemistry.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:43:45
# 過去の断片:家庭内暴力の加害者によるピアサポートの算出

Fragments of the Past: Curating Peer Support with Perpetrators of Domestic Violence ( http://arxiv.org/abs/2107.04711v1 )

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Rosanna Bellini, Alexander Wilson, Jan David Smeddinck(参考訳) デジタルピアサポートネットワークが、自分や他人を傷つける人々にとって行動の変化や幸福な結果にポジティブな影響を与えうるという証拠が増えている。 しかし、このようなネットワークの構築と維持には倫理的かつ実践的な課題があり、特に家庭内暴力の加害者が団結する際に独特なリスクを負う。 本研究は,6人の支援労働者と18人の加害者とともに,音声メッセージを有形人工物と結び付ける社会材料システムFragments of the Pastの設計と展開について10ヶ月にわたる研究を報告する。 暴力から脱落した経験をデジタルで表現したアーティファクトの作り方 - フラッグメント(fragments) - を共有することで、直接対人コミュニケーションに固有のリスクを負うことなく、モチベーションやラプポートのメッセージを伝えることができる。 これらの知見は、挑戦的な人口を持つ将来のネットワーク設計の実践的考察の基礎となる。

There is growing evidence that digital peer-support networks can have a positive influence on behaviour change and wellbeing outcomes for people who harm themselves and others. However, making and sustaining such networks are subject to ethical and pragmatic challenges, particularly for perpetrators of domestic violence whom pose unique risks when brought together. In this work we report on a ten-month study where we worked with six support workers and eighteen perpetrators in the design and deployment of Fragments of the Past; a socio-material system that connects audio messages with tangible artefacts. We share how crafting digitally-augmented artefacts - 'fragments' - of experiences of desisting from violence can translate messages for motivation and rapport between peers, without subjecting the process to risks inherent with direct inter-personal communication. These insights provide the basis for practical considerations for future network design with challenging populations.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:43:24
# Um Metodo para Busca Automatica de Redes Neurais Artificiais

Um Metodo para Busca Automatica de Redes Neurais Artificiais ( http://arxiv.org/abs/2107.04702v1 )

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Anderson P. da Silva, Teresa B. Ludermir, Leandro M. Almeida(参考訳) 本稿では,セル遺伝アルゴリズムを用いたニューラルネットワークの自動検索手法について述べる。 一般的な遺伝的アルゴリズムにおけるこの方法の主な違いは、個人に位置情報を提供することができるセルオートマトンを使用することで、検索空間における局所最小化の可能性を減らすことである。 この方法は、初期重み付け、伝達関数、アーキテクチャ、学習規則の同時選択のための進化的探索を用いる。 実験結果から,本手法は,文献に見られる他の手法と比較して,十分に一般化し,訓練時間も短く,コンパクトで効率的なネットワークを探索できることがわかった。

This paper describes a method that automatically searches Artificial Neural Networks using Cellular Genetic Algorithms. The main difference of this method for a common genetic algorithm is the use of a cellular automaton capable of providing the location for individuals, reducing the possibility of local minima in search space. This method employs an evolutionary search for simultaneous choices of initial weights, transfer functions, architectures and learning rules. Experimental results have shown that the developed method can find compact, efficient networks with a satisfactory generalization power and with shorter training times when compared to other methods found in the literature.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:43:08
# 量子コンピューティングによるアンテナアレー薄肉化

Antenna Array Thinning Through Quantum Computing ( http://arxiv.org/abs/2107.04684v1 )

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Paolo Rocca, Nicola Anselmi, Giacomo Oliveri, Alessandro Polo and Andrea Massa(参考訳) 量子フーリエ変換(QFT)によるアンテナアレイの薄膜化を提案する。 配列要素の候補位置の格子が与えられた場合、配列要素がどのアンテナ位置を占有するかを問う問題は量子コンピューティング(QC)フレームワークで定式化され、QFTアルゴリズムの適切な実装に基づくアドホック設計手法で対処される。 提案手法の特徴と利点を指摘するために, 代表的な数値計算結果を提示し, 考察した。

Thinning antenna arrays through quantum Fourier transform (QFT) is proposed. Given the lattice of the candidate locations for the array elements, the problem of selecting which antenna location has to be either occupied or not by an array element is formulated in the quantum computing (QC) framework and then addressed with an ad-hoc design method based on a suitable implementation of the QFT algorithm. Representative numerical results are presented and discussed to point out the features and the advantages of the proposed QC-based thinning technique.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:42:56
# 量子純度と生体直交多項式反復のモーメント

Moments of quantum purity and biorthogonal polynomial recurrence ( http://arxiv.org/abs/2107.04637v1 )

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Shi-Hao Li and Lu Wei(参考訳) ビューズ・ハルアンサンブルは密度行列のユニークな尺度であり、量子情報処理における様々な特性を満たす。 本研究では,バーレス・ハル・アンサンブル上での絡み合いの統計的挙動を,最も単純なエントロピー(量子純度)によって測定した。 この研究の主な成果は、任意のサブシステム次元に対して有効な量子純粋性の正確な第2および第3モーメント表現であり、文学における対応する結果は、等しいサブシステム次元のシナリオに限られる。 結果を得るためには,cauchy-laguerre biorthogonal polynomials 上の基底積分の帰結関係を独立に求めた。

The Bures-Hall ensemble is a unique measure of density matrices that satisfies various distinguished properties in quantum information processing. In this work, we study the statistical behavior of entanglement over the Bures-Hall ensemble as measured by the simplest form of an entanglement entropy - the quantum purity. The main results of this work are the exact second and third moment expressions of quantum purity valid for any subsystem dimensions, where the corresponding results in the literature are limited to the scenario of equal subsystem dimensions. In obtaining the results, we have derived recurrence relations of the underlying integrals over the Cauchy-Laguerre biorthogonal polynomials that may be of independent interest.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:42:46
# 制御量子ビットの少ない多重固有値のハイゼンベルク制限量子位相推定

Heisenberg-limited quantum phase estimation of multiple eigenvalues with few control qubits ( http://arxiv.org/abs/2107.04605v3 )

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Alicja Dutkiewicz, Barbara M. Terhal and Thomas E. O'Brien(参考訳) 量子位相推定は量子アルゴリズム設計の基盤であり、指数関数的に大きいスパース行列の固有値の推測を可能にする。 実験間のコヒーレンスを必要としない量子位相推定の単一制御量子ビット変種は、近年、回路深さの低下と最小量子ビットオーバーヘッドのために関心を集めている。 本研究では,システムの固有状態を生成することができない場合,これらの手法がハイゼンベルク極限を達成することができることを示す。 g(k)=\sum_j a_j e^{i \phi_j k}$ with unknown eigenphases $\phi_j$ and overlaps $a_j$ at quantum cost $o(k)$ という量子サブルーチンが与えられたとき、その位相を (root-mean-square) 誤差$\delta$ で推定する方法を示す。 本手法は,単一の固有値位相 [higgins et al (2009)) と kimmel et al (2015)] に対するハイゼンベルク制限された多階量子位相推定と,qeep問題 [somma (2019)] あるいは行列鉛筆法] の時系列解析による古典的処理を用いた,いわゆる高密度量子位相推定のサブルーチンを組み合わせたものである。 適応的に$k$ in $g(k)$を選択するアルゴリズムでは、時系列/QEEPサブルーチンを使用する場合、Heisenberg制限スケーリングを証明します。 本研究では,行列鉛筆法を用いて,ハイゼンベルク制限スケーリングを実現できることを示す。

Quantum phase estimation is a cornerstone in quantum algorithm design, allowing for the inference of eigenvalues of exponentially-large sparse matrices.The maximum rate at which these eigenvalues may be learned, --known as the Heisenberg limit--, is constrained by bounds on the circuit complexity required to simulate an arbitrary Hamiltonian. Single-control qubit variants of quantum phase estimation that do not require coherence between experiments have garnered interest in recent years due to lower circuit depth and minimal qubit overhead. In this work we show that these methods can achieve the Heisenberg limit, {\em also} when one is unable to prepare eigenstates of the system. Given a quantum subroutine which provides samples of a `phase function' $g(k)=\sum_j A_j e^{i \phi_j k}$ with unknown eigenphases $\phi_j$ and overlaps $A_j$ at quantum cost $O(k)$, we show how to estimate the phases $\{\phi_j\}$ with (root-mean-square) error $\delta$ for total quantum cost $T=O(\delta^{-1})$. Our scheme combines the idea of Heisenberg-limited multi-order quantum phase estimation for a single eigenvalue phase [Higgins et al (2009) and Kimmel et al (2015)] with subroutines with so-called dense quantum phase estimation which uses classical processing via time-series analysis for the QEEP problem [Somma (2019)] or the matrix pencil method. For our algorithm which adaptively fixes the choice for $k$ in $g(k)$ we prove Heisenberg-limited scaling when we use the time-series/QEEP subroutine. We present numerical evidence that using the matrix pencil technique the algorithm can achieve Heisenberg-limited scaling as well.
公開日:2022-09-23
翻訳日:2023-03-22 23:42:34
# Tavis-Cummingsモデルを超えて:原子アンサンブルを用いたQEDの再検討

Beyond the Tavis-Cummings model: revisiting cavity QED with atomic ensembles ( http://arxiv.org/abs/2107.04583v1 )

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Martin Blaha, Aisling Johnson, Arno Rauschenbeutel, J\"urgen Volz(参考訳) 単一モード電磁場と$N$2レベル原子のアンサンブルの相互作用は、Tavis-Cummingsモデルによって説明される。 ここで、集合的に強化された光-物質結合強度は、$g_N = \sqrt{N} \bar{g}_1$, $\bar{g}_1$ で与えられる。 以前は、このモデルは多くの空洞実験を記述し分析するために用いられてきた。 ここでは,非キャビティモードへの有効散乱速度がキャビティの自由スペクトル範囲と比較して無視できる場合にのみ正当性を示す。 実験パラメータに関しては、アンサンブルの光学的深さが低く、いくつかの最先端の実験で破られる条件が必要である。 我々は、tavis-cummingsモデルの有効性の定量的条件を与え、全ての連続原子と光子のカスケード相互作用を考慮したより一般的なハミルトニアン記述を導出する。 その結果,tavis-cummingsモデルで得られた予測と定量的および定性的に予測が異なっていた。 最後に,Tavis-Cummingsモデルの予測から逸脱していることを示す実験データについて述べる。 本研究は、量子エミッタの光密度アンサンブルを光共振器に結合した全ての実験に関係している。

The interaction of an ensemble of $N$ two-level atoms with a single mode electromagnetic field is described by the Tavis-Cummings model. There, the collectively enhanced light-matter coupling strength is given by $g_N = \sqrt{N} \bar{g}_1$, where $\bar{g}_1$ is the ensemble-averaged single-atom coupling strength. Formerly, this model has been employed to describe and to analyze numerous cavity-based experiments. Here, we show that this is only justified if the effective scattering rate into non-cavity modes is negligible compared to the cavity's free-spectral range. In terms of experimental parameters, this requires that the optical depth of the ensemble is low, a condition that is violated in several state-of-the-art experiments. We give quantitative conditions for the validity of the Tavis-Cummings model and derive a more general Hamiltonian description that takes into account the cascaded interaction of the photons with all consecutive atoms. We show that the predictions of our model can differ quantitatively and even qualitatively from those obtained with the Tavis-Cummings model. Finally, we present experimental data, for which the deviation from the predictions of the Tavis-Cummings model is apparent. Our findings are relevant for all experiments in which optically dense ensembles of quantum emitters are coupled to an optical resonator.
公開日:2021-07-09
翻訳日:2023-03-22 23:41:50
# 無ノイズ減衰後の量子状態のコヒーレンス

Coherence of Quantum States after Noiseless Attenuation ( http://arxiv.org/abs/2107.04582v3 )

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S.U. Shringarpure, C.M. Nunn, T.B. Pittman and J.D. Franson(参考訳) ビームスプリッタを用いた量子状態の減衰はノイズとデコヒーレンスをもたらす。 ここでは, 遮蔽技術を用いて, 雑音やデコヒーレンスを伴わずに, schr\"odinger cat state やスクイズド真空状態の減衰 [mi\v{c}uda et al., phys] を行うことができることを示す。 Rev. Lett. 109, 180503 (2012)]. ノイズのない減衰は、圧縮真空状態のような非古典状態の量子干渉効果も保存する。

Attenuating a quantum state using a beam splitter will introduce noise and decoherence. Here we show that heralding techniques can be used to attenuate Schr\"odinger cat states and squeezed vacuum states without any noise or decoherence [Mi\v{c}uda et al., Phys. Rev. Lett. 109, 180503 (2012)]. Noiseless attenuation also preserves quantum interference effects in nonclassical states such as squeezed vacuum states.
公開日:2022-01-07
翻訳日:2023-03-22 23:41:28
# 好中球のメタ・アプレンジザド・パラオシミザカオ・デ・パラメトロス

Meta-aprendizado para otimizacao de parametros de redes neurais ( http://arxiv.org/abs/2109.13745v1 )

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Tarsicio Lucas, Teresa Ludermir, Ricardo Prudencio, Carlos Soares(参考訳) ANN(Artificial Neural Networks)の最適化は,これらのモデルを現実のアプリケーションで使用する上で重要な課題である。 このタスクに採用されるソリューションは一般的に高価であり、試行錯誤手順や専門家の知識が常に利用できるわけではない。 本研究では,ANNの最適化にメタラーニングを用いることを検討した。 メタ学習は,学習問題の特徴と学習アルゴリズムの性能を関連付ける知識の自動獲得を目的とした研究分野である。 メタラーニング手法は,元来アルゴリズム選択問題に対して提案され,その後に支援ベクトルマシンのパラメータの最適化を行った。 しかし、メタラーニングは、ANNパラメータを最適化するためのより一般的な戦略として採用され、この研究の方向性における新たな取り組みの動機となっている。 本研究では,mlpネットワークにおける隠れノード数をメタラーニングを用いて選択するケーススタディを行った。 本研究では,93の回帰問題に関連するメタサンプルを作成した。 それぞれのメタサンプルは回帰問題から生成され、格納される: 問題を記述する16の特徴(例えば、問題属性の属性の数と相関)と、可能な範囲から実験的に選択されたこの問題のノードの最大数。 この一連のメタサンプルはmeta-learnerへの入力として与えられ、その特徴に基づいて新しい問題に対して最適なノード数を予測することができた。 実験の結果, 良好な結果が得られた。

The optimization of Artificial Neural Networks (ANNs) is an important task to the success of using these models in real-world applications. The solutions adopted to this task are expensive in general, involving trial-and-error procedures or expert knowledge which are not always available. In this work, we investigated the use of meta-learning to the optimization of ANNs. Meta-learning is a research field aiming to automatically acquiring knowledge which relates features of the learning problems to the performance of the learning algorithms. The meta-learning techniques were originally proposed and evaluated to the algorithm selection problem and after to the optimization of parameters for Support Vector Machines. However, meta-learning can be adopted as a more general strategy to optimize ANN parameters, which motivates new efforts in this research direction. In the current work, we performed a case study using meta-learning to choose the number of hidden nodes for MLP networks, which is an important parameter to be defined aiming a good networks performance. In our work, we generated a base of meta-examples associated to 93 regression problems. Each meta-example was generated from a regression problem and stored: 16 features describing the problem (e.g., number of attributes and correlation among the problem attributes) and the best number of nodes for this problem, empirically chosen from a range of possible values. This set of meta-examples was given as input to a meta-learner which was able to predict the best number of nodes for new problems based on their features. The experiments performed in this case study revealed satisfactory results.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:58:24
# 高等教育機関ウェブサイトの訪問者データの解析

Analysis of the Visitor Data of a Higher Education Institution Website ( http://arxiv.org/abs/2107.14107v1 )

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Omer Aydin(参考訳) 今日の世界では、インターネットは人間の生活のあらゆる側面に影響を与えており、企業ウェブサイトや他の多くの分野にも変化をもたらしている。 企業のWebサイトは、よりダイナミックでインタラクティブで、新しい技術との互換性が高まるべきだ。 webサイトとユーザ、検索エンジン、その他のデバイスとのインタラクションは、専門家によって検証され、このインタラクションのために改善と変更が行われるべきである。 本研究では,高等教育機関のウェブサイトを調査した。 分析には2013年から2019年にかけて収集された訪問者データを用いた。 幅広い調査・データを含む本研究では,交通分析から開発提案までの重要な知見が盛り込まれている。 特に,モバイル端末との互換性,画像と動画の最適化,ユーザの地理的特徴,言語オプション,時間とともにアクセスされるコンテンツの密度分析などを通じて有用な情報を得た。

In todays world, the internet affects every aspect of human life; it has caused changes in corporate websites as well as in many other areas. Corporate websites should be more dynamic, more interactive, and more compatible with new technologies. The interaction of the website with users, search engines, and other devices has to be examined by experts, and improvements and changes should be made for this interaction. In this study, a higher education institution website was examined. Visitor data collected between 2013 and 2019 were used for the analysis. In the study, which includes a wide range of examinations and data, important findings from traffic analysis to development suggestions were included. In particular, useful information has been obtained through the compatibility of the site with mobile devices, optimization of pictures and videos, geographical features of users, language options, and density analysis of the content accessed over time.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:57:59
# 宇宙史上の量子場におけるUnruh-DeWitt検出器の動的応答

Dynamical Response of an Unruh-DeWitt Detector in a Quantum Field over the History of the Universe ( http://arxiv.org/abs/2107.04862v2 )

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Jen-Tsung Hsiang and Bei-Lok Hu(参考訳) 本研究では、調和振動子の内部自由度を持つunruh-dewitt(ud)検出器が、スケール係数$a(t)$の膨張宇宙において、進化する量子物質場$\phi(\bm{x}, t)$をどのように測定するかを問う。 動的時空によって圧縮された量子場に関するマルコフ情報を含む検出器の応答について検討する。 課題は、進化の歴史に蓄積された記憶効果にある。 まず、最初は量子場と共存して進化した '\textsl{Witness}' 検出器を考える。 非マルコフ量子ランゲヴィン方程式を、圧縮された量子場を積分することにより、検出器の$Q$に対して導出する。 この積分微分方程式の解は、原理的には我々の質問に答えるが、実際は非常に難しい。 妥協を打った後、我々は、過去記憶を解読する `\textsl{detective}' と呼ばれる、後期にどの程度$d$が導入されたかを問う。 この状況は、過去における特定の段階を探索する多くの宇宙実験に対応しており、例えば最後の散乱面におけるCOBEターゲティング活動である。 驚くべきことに、結果のスクイーズ、粒子の生成、量子コヒーレンス、相関など、ある程度のグローバルな物理量を取得することが可能であることが示されています。 理由は、量子場が宇宙力学の$a(t)$によって駆動された方法の初めから、きめ細かい情報を全て持っているからである。 過去の歴史の詳細がどれくらい量子場に残るかは、記憶時間に依存する。 圧縮された場が定常駆動下では完全な平衡に達することができないという事実は、進化する時空のように、実際には記憶を維持するのに役立つ。 宇宙論的な問題に対するこの「\textit{archaeological}」の視点の興味深い特徴と可能性について論じる。

In this work we ask how an Unruh-DeWitt (UD) detector with harmonic oscillator internal degrees of freedom $Q$ measuring an evolving quantum matter field $\Phi(\bm{x}, t)$ in an expanding universe with scale factor $a(t)$ responds. We investigate the detector's response which contains non-Markovian information about the quantum field squeezed by the dynamical spacetime. The challenge is in the memory effects accumulated over the evolutionary history. We first consider a detector $W$, the `\textsl{Witness}', which co-existed and evolved with the quantum field from the beginning. We derive a nonMarkovian quantum Langevin equation for the detector's $Q$ by integrating over the squeezed quantum field. The solution of this integro-differential equation would answer our question, in principle, but very challenging, in practice. Striking a compromise, we then ask, to what extent can a detector $D$ introduced at late times, called the `\textsl{Detective}', decipher past memories. This situation corresponds to many cosmological experiments today probing specific stages in the past, such as COBE targeting activities at the surface of last scattering. Somewhat surprisingly we show that it is possible to retrieve to some degree certain global physical quantities, such as the resultant squeezing, particles created, quantum coherence and correlations. The reason is because the quantum field has all the fine-grained information from the beginning in how it was driven by the cosmic dynamics $a(t)$. How long the details of past history can persist in the quantum field depends on the memory time. The fact that a squeezed field cannot come to complete equilibrium under constant driving, as in an evolving spacetime, actually helps to retain the memory. We discuss interesting features and potentials of this `\textit{archaeological}' perspective toward cosmological issues.
公開日:2022-01-04
翻訳日:2023-03-22 21:57:46
# 局所スクランブル量子力学を用いた古典影トモグラフィ

Classical Shadow Tomography with Locally Scrambled Quantum Dynamics ( http://arxiv.org/abs/2107.04817v4 )

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Hong-Ye Hu, Soonwon Choi, Yi-Zhuang You(参考訳) 古典影トモグラフィを、局所スクランブル量子力学として知られる有限深さまたは有限時間局所ユニタリアンサンブルの広いクラスに一般化し、ユニタリアンサンブルは局所基底変換の下で不変である。 この場合、古典的影トモグラフィーの再構成マップは、古典的スナップショットの平均的絡み合いの特徴にのみ依存する。 我々は、全てのサブシステムにおける古典スナップショットの線形結合として量子状態の非バイアス推定器を提供し、この結合係数は、絡み合い特徴によってのみ決定される。 また, エンタングルメント特徴形式において, 演算子シャドウノルムを定式化することにより, トモグラフィー法に必要な実験値, いわゆるサンプル複雑性の数を制限した。 有限深部局所ユニタリ回路と有限時間局所ハミルトニアン生成進化に対する我々のアプローチを数値的に示す。 浅い回路測定は、パウリやクリフォードの測定に基づく既存の手法と比較して、断層撮影の複雑さを低くすることができる。 我々のアプローチは、ほぼ局所的にスクランブルされたユニタリアンサンブルにも適用可能である。 驚くべきことに、時間依存的な局所ハミルトン進化の単一の例は、イオンを閉じ込めた後にモデル化されたパラダイム的スピンチェーンやリドバーグ原子量子シミュレータを用いて、近似トモグラフィーを実行するのに十分である。 近距離量子デバイスにおける古典的シャドウトモグラフィーの適用を大幅に拡大する。

We generalize the classical shadow tomography scheme to a broad class of finite-depth or finite-time local unitary ensembles, known as locally scrambled quantum dynamics, where the unitary ensemble is invariant under local basis transformations. In this case, the reconstruction map for the classical shadow tomography depends only on the average entanglement feature of classical snapshots. We provide an unbiased estimator of the quantum state as a linear combination of reduced classical snapshots in all subsystems, where the combination coefficients are solely determined by the entanglement feature. We also bound the number of experimental measurements required for the tomography scheme, so-called sample complexity, by formulating the operator shadow norm in the entanglement feature formalism. We numerically demonstrate our approach for finite-depth local unitary circuits and finite-time local-Hamiltonian generated evolutions. The shallow-circuit measurement can achieve a lower tomography complexity compared to the existing method based on Pauli or Clifford measurements. Our approach is also applicable to approximately locally scrambled unitary ensembles with a controllable bias that vanishes quickly. Surprisingly, we find a single instance of time-dependent local Hamiltonian evolution is sufficient to perform an approximate tomography as we numerically demonstrate it using a paradigmatic spin chain Hamiltonian modeled after trapped ion or Rydberg atom quantum simulators. Our approach significantly broadens the application of classical shadow tomography on near-term quantum devices.
公開日:2022-12-04
翻訳日:2023-03-22 21:57:09
# ワイルディスクにおけるホロノミック量子操作

Holonomic quantum manipulation in the Weyl Disk ( http://arxiv.org/abs/2107.04814v1 )

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Victor Boogers, Janis Erdmanis, Yuli Nazarov(参考訳) 超伝導ナノ構造のワイル点が、2つの量子状態がパラメトリック空間の2次元多様体においてほぼ退化するワイル円板を生じる可能性があることが示されている。 これによりホロノミック量子操作の可能性が開かれ、縮退多様体内のパラメータの断熱的変化による波動関数の変換が実現される。 本稿では,ワイルディスクにおけるホロノミック操作の機会について詳細に検討する。 準古典近似で多様体の接続を計算し、アベリアンであることを示し、位相ゲートとして使うことができる。 状態の準備と読み出しを含む量子操作のクローズドな例を提供するため、縮退した部分空間からシステムを引き出すパラメータの変更によりホロノミックゲートを補強する。 数値図解には、準古典的パラメータの有限値と正確な量子力学を用いる。 異なる実行時間に対するサンプルゲートの忠実度について検討する。

It has been shown that a Weyl point in a superconducting nanostructure may give rise to a Weyl disk where two quantum states are almost degenerate in a 2D manifold in the parametric space. This opens up the possibility of a holonomic quantum manipulation: a transformation of the wave function upon adiabatic change of the parameters within the degenerate manifold. In this paper, we investigate in detail the opportunities for holonomic manipulation in Weyl disks. We compute the connection at the manifold in quasiclassical approximation to show it is Abelian and can be used for a phase gate. To provide a closed example of quantum manipulation that includes a state preparation and read-out, we augment the holonomic gate with a change of parameters that brings the system out of the degenerate subspace. For numerical illustrations, we use a finite value of quasiclassical parameter and exact quantum dynamics. We investigate the fidelity of an example gate for different execution times.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:56:43
# 高データレートグレーティング磁気光学トラップとフォトニック集積回路対応レーザーを用いた小型冷原子干渉計

A Compact Cold-Atom Interferometer with a High Data-Rate Grating Magneto-Optical Trap and a Photonic-Integrated-Circuit-Compatible Laser System ( http://arxiv.org/abs/2107.04792v3 )

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Jongmin Lee, Roger Ding, Justin Christensen, Randy R. Rosenthal, Aaron Ison, Daniel Paul Gillund, David Bossert, Kyle H. Fuerschbach, William Kindel, Patrick S. Finnegan, Joel R. Wendt, Michael Gehl, Ashok Kodigala, Hayden McGuinness, Charles A. Walker, Shanalyn A. Kemme, Anthony Lentine, Grant Biedermann, and Peter D. D. Schwindt(参考訳) 冷原子干渉計の極端に小型化は、干渉計サブシステムのための新しい技術とアーキテクチャの開発を必要とする。 本稿では, 小型化を実現するために, 部品技術とレーザーシステムアーキテクチャについて述べる。 我々は, 単一冷却ビームを用いた四面体格子磁気トラップ(GMOT)用マイクロファブリケートグレーティングチップを内蔵した, 小型のチタン真空パッケージを開発した。 さらに,単発のシードレーザと単発のサイドバンド変調器で実装したマルチチャネルフォトニック集積回路対応レーザーシステムの設計を行い,センサヘッドに接続された光チャネル数を削減した。 真空パッケージを含む小型センサヘッドにおいて、GMOTのサブドップラー冷却により15UK温度が生成され、GMOTは20Hzのデータレートで動作可能である。 マイクロ波分光法を用いてラムゼー干渉計を用いて原子コヒーレンスを検証し、10Hzの測定データレートとT = 0 - 4.5msの尋問時間で光パルス原子干渉計を実験し、その結果$$$Delta$ g / g = 2.0e-6を得た。 この研究は、大きな振幅運動ダイナミクスの下で展開可能なコールド原子慣性センサーへの重要な一歩である。

The extreme miniaturization of a cold-atom interferometer accelerometer requires the development of novel technologies and architectures for the interferometer subsystems. Here we describe several component technologies and a laser system architecture to enable a path to such miniaturization. We developed a custom, compact titanium vacuum package containing a microfabricated grating chip for a tetrahedral grating magneto-optical trap (GMOT) using a single cooling beam. In addition, we designed a multi-channel photonic-integrated-circuit-compatible laser system implemented with a single seed laser and single sideband modulators in a time-multiplexed manner, reducing the number of optical channels connected to the sensor head. In a compact sensor head containing the vacuum package, sub-Doppler cooling in the GMOT produces 15 uK temperatures, and the GMOT can operate at a 20 Hz data rate. We validated the atomic coherence with Ramsey interferometry using microwave spectroscopy, then demonstrated a light-pulse atom interferometer in a gravimeter configuration for a 10 Hz measurement data rate and T = 0 - 4.5 ms interrogation time, resulting in $\Delta$ g / g = 2.0e-6. This work represents a significant step towards deployable cold-atom inertial sensors under large amplitude motional dynamics.
公開日:2022-09-01
翻訳日:2023-03-22 21:56:29
# フラクタル量子力学によるブラックホール熱力学の展望

Prospecting Black Hole Thermodynamics with Fractional Quantum Mechanics ( http://arxiv.org/abs/2107.04789v1 )

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S. Jalalzadeh, F. Rodrigues da Silva and P. V. Moniz(参考訳) 本稿では、分数量子力学の枠組みがブラックホール熱力学の視点を広げるかどうかを考察する。 具体的には、主ツールとして {\it space-fractional} 微分 \cite{Rie} を用いる。 さらに、解析はシュワルツシルト構成の場合に限定される。 その後修正されたウィーラー・ドウィット方程式から、対応する特定の観測可能な式を取得する。 つまり、ブラックホール質量スペクトルは$M$、温度は$T$、エントロピーは$S$である。 これらの熊の連続的な変化は、分数パラメータ($\alpha$)を通して伝達される。 特に、標準結果は特定の制限である$\alpha=2$で回収される。 さらに、Tsallis と Cirto \cite{Tsallis} と Barrow \cite{Barrow} が提案するエントロピー-面積関係の一般化が、分数的な観点で補完的な解釈を得る方法について詳しく述べる。 結果について徹底的に議論する。

This paper investigates whether the framework of fractional quantum mechanics can broaden our perspective of black hole thermodynamics. Concretely, we employ a {\it space-fractional} derivative \cite{Rie} as our main tool. Moreover, we restrict our analysis to the case of a Schwarzschild configuration. From a subsequently modified Wheeler-DeWitt equation, we retrieve the corresponding expressions for specific observables. Namely, the black hole mass spectrum, $M$, its temperature $T$, and entropy, $S$. We find that these bear consequential alterations conveyed through a fractional parameter, $\alpha$. In particular, the standard results are recovered in the specific limit $\alpha=2$. Furthermore, we elaborate how generalizations of the entropy-area relation suggested by Tsallis and Cirto \cite{Tsallis} and Barrow \cite{Barrow} acquire a complementary interpretation in terms of a fractional point of view. A thorough discussion of our results is presented.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:56:07
# 改良チャプリギンガスによる暗黒物質ボース・アインシュタイン凝縮の粘性相互作用と安定性

Viscous interacting and stability on dark matter Bose-Einstein condensation with modified Chaplygin gas ( http://arxiv.org/abs/2107.04780v1 )

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E. Mahichi, Alireza Amani, and M. A. Ramzanpour(参考訳) 本稿では,暗黒物質ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)の存在下での粘性宇宙力学を曲面-FRW背景により研究する。 この目的のために、我々は通常の暗黒物質(低温暗黒物質またはバロトロピック暗黒物質)ではなく、暗黒物質の状態方程式(eos)を重力形式から生じる$p_{dm} \propto \rho_{dm}^2$とするbecレジームを用いる。 したがって、修正チャプリギンガスとの相互作用モデルを考えることにより、宇宙成分の存在を考慮した対応する連続性方程式を得る。 その後、赤方偏移パラメータの観点から、エネルギー密度とダークエネルギーの圧力を導出する。 そして、パラメトリゼーション関数を導入し、51の超新星データと確率解析を適合させることで、宇宙論的パラメータと赤方偏移パラメータを見いだす。 以下に示すように、対応する動的グラフを赤方偏移に比例してプロットし、宇宙が現在加速展開段階にあることを示す。 最後に, 本モデルの安定性と安定性について, 音速パラメータを用いて検討する。

In this paper, the viscous cosmological dynamics are studied in the presence of dark matter Bose-Einstein Condensation (BEC) by curved-FRW background. For this purpose, we use the BEC regime rather than the normal dark matter (the cold dark matter or the barotropic dark matter) with the dark matter Equation of State (EoS) as $p_{dm} \propto \rho_{dm}^2$, which arises from the gravitational form. Therefore, we obtain the corresponding continuity equations with the existence of the universe components by considering an interacting model with modified Chaplygin gas. Afterward, we derive the energy density and the pressure of dark energy in terms of the redshift parameter. And then, by introducing a parametrization function and fitting it with 51 supernova data with the likelihood analysis, we find the cosmological parameters versus redshift parameter. In what follows, we plot the corresponding dynamic graphs proportional to redshift, and then we represent the universe is currently undergoing an accelerated expansion phase. Finally, we explore the stability and the instability of the present model with the sound speed parameter.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:55:51
# 標準模型物理学とデジタル量子革命:インターフェースを考える

Standard Model Physics and the Digital Quantum Revolution: Thoughts about the Interface ( http://arxiv.org/abs/2107.04769v1 )

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Natalie Klco, Alessandro Roggero, Martin J. Savage(参考訳) 量子システムの分離・制御・絡み合いの進歩は、かつての量子力学の興味深い特徴を、破壊的な科学的・技術的進歩のための乗り物へと変えつつある。 feynman氏が提唱したビジョンを追求するべく、多くの研究と開発分野にわたる協力的な取り組みが、ドメイン科学者が利用可能なコンピューティングエコシステムにプロトタイプ的デジタル量子デバイスを導入する。 これらの初期の量子デバイスとの相互作用を通じて、古典的に難解な量子系を探索する抽象的なビジョンは、現実の現実へと進化している。 これらの技術的進歩を触媒する以外に、絡み合いは量子相関の診断や組織ツールとして平行進行を可能にし、量子多体系と標準モデルから定義および出現する量子場理論の理解の改善を導く。 3つの領域科学理論家の視点からは、核・高エネルギー物理学の科学的目的により、最近のNISQ時代の進歩を文脈化するために、絡み合い、複雑性、量子シミュレーションのインターフェースについての考察をまとめる。

Advances in isolating, controlling and entangling quantum systems are transforming what was once a curious feature of quantum mechanics into a vehicle for disruptive scientific and technological progress. Pursuing the vision articulated by Feynman, a concerted effort across many areas of research and development is introducing prototypical digital quantum devices into the computing ecosystem available to domain scientists. Through interactions with these early quantum devices, the abstract vision of exploring classically-intractable quantum systems is evolving toward becoming a tangible reality. Beyond catalyzing these technological advances, entanglement is enabling parallel progress as a diagnostic for quantum correlations and as an organizational tool, both guiding improved understanding of quantum many-body systems and quantum field theories defining and emerging from the Standard Model. From the perspective of three domain science theorists, this article compiles thoughts about the interface on entanglement, complexity, and quantum simulation in an effort to contextualize recent NISQ-era progress with the scientific objectives of nuclear and high-energy physics.
公開日:2021-07-10
翻訳日:2023-03-22 21:55:28
# 隠れ変数設定における超決定論的不変集合論の解析

Analysis of the superdeterministic Invariant-set theory in a hidden-variable setting ( http://arxiv.org/abs/2107.04761v5 )

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Indrajit Sen(参考訳) 量子力学の超決定論的説明(Invariant-set theory)に関する最近の提案は、カオス理論、数論、力学系といった様々な分野のアイデアを量子基礎にもたらすようにみえる。 しかし、明確なカット隠れ変数モデルが開発されていないため、量子基礎の観点から提案を評価することは困難である。 本稿では,まず提案に基づく隠れ変数モデルを構築し,そのモデルを用いて提案のいくつかの側面を批判的に解析する。 提案手法では, 反事実測定, 非局所性, 量子観測可能性の非可換性, 測定独立性などに関するいくつかの議論は, 本モデルで検討した場合に失敗することを示した。 さらに、我々のモデルは超決定論的であるだけでなく、オンティック量子状態を持つ非局所であることを示す。 モデルで定義されたビット文字列は隠れ変数であり、冗長な情報を含んでいると主張する。 最後に,先行研究(proc)で開発された分析を適用する。 r. soc。 A, 476(2243):20200214, 2020) モデルにおける超決定論的陰謀の問題を説明する。 この結果から,超決定論はベル相関によって生じるパズルを解き得ないという見解がさらに支持されている。

A recent proposal for a superdeterministic account of quantum mechanics, named Invariant-set theory, appears to bring ideas from several diverse fields like chaos theory, number theory and dynamical systems to quantum foundations. However, a clear cut hidden-variable model has not been developed, which makes it difficult to assess the proposal from a quantum foundational perspective. In this article, we first build a hidden-variable model based on the proposal, and then critically analyse several aspects of the proposal using the model. We show that several arguments related to counter-factual measurements, nonlocality, non-commutativity of quantum observables, measurement independence etcetera that appear to work in the proposal fail when considered in our model. We further show that our model is not only superdeterministic but also nonlocal, with an ontic quantum state. We argue that the bit string defined in the model is a hidden variable and that it contains redundant information. Lastly, we apply the analysis developed in a previous work (Proc. R. Soc. A, 476(2243):20200214, 2020) to illustrate the issue of superdeterministic conspiracy in the model. Our results lend further support to the view that superdeterminism is unlikely to solve the puzzle posed by the Bell correlations.
公開日:2022-03-10
翻訳日:2023-03-22 21:55:10
# 社会触媒:会話の火花を放つ人を特徴づける

Social Catalysts: Characterizing People Who Spark Conversations Among Others ( http://arxiv.org/abs/2107.04936v2 )

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Martin Saveski, Farshad Kooti, Sylvia Morelli Vitousek, Carlos Diuk, Bryce Bartlett, Lada Adamic(参考訳) 人々はソーシャルネットワーク内で異なる重要な役割を担います。 いくつかの役割は、十分に接続されたインフルエンサーや、ネットワークの未接続部分をブリッジするブローカーなど、広範な研究を受けている。 しかしながら、人々が対話し、会話を促進する機会を生み出すという、潜在的に重要な役割を探求する作業はほとんどない。 これらの個人は人々をまとめ、社会触媒として働きます。 本稿では,オンラインソーシャルネットワークFacebookにおけるソーシャル触媒の存在を検証した。 まず、ポスターの友人同士の会話を刺激した投稿を特定し、それらの投稿の特徴を要約する。 次に、その個人の「触媒性」の尺度として、触媒されたコメントの数をポスターレベルで集計する。 これらの人の上位1%は触媒的相互作用の31%を占めるが、そのネットワーク特性は頻繁に投稿し、同じ数の友人を持つ他の人々と大きく異なるわけではない。 また,調査データを収集することで,他者との議論を頻繁に促す場合には,友人によって社会的触媒として推薦される傾向が強まる。 この尺度は、他の会話に関連した機能とともに、ある人物が触媒として指名される最も予測的なものの一つである。 インフルエンサーやブローカーはネットワークのポジションに注意を払っているかもしれないが、我々の発見は、他の重要な役割が存在するという確固たる証拠を提供し、オンラインソーシャルネットワークで認識されている。

People assume different and important roles within social networks. Some roles have received extensive study: that of influencers who are well-connected, and that of brokers who bridge unconnected parts of the network. However, very little work has explored another potentially important role, that of creating opportunities for people to interact and facilitating conversation between them. These individuals bring people together and act as social catalysts. In this paper, we test for the presence of social catalysts on the online social network Facebook. We first identify posts that have spurred conversations between the poster's friends and summarize the characteristics of such posts. We then aggregate the number of catalyzed comments at the poster level, as a measure of the individual's "catalystness." The top 1% of such individuals account for 31% of catalyzed interactions, although their network characteristics do not differ markedly from others who post as frequently and have a similar number of friends. By collecting survey data, we also validate the behavioral measure of catalystness: a person is more likely to be nominated as a social catalyst by their friends if their posts prompt discussions between other people more frequently. The measure, along with other conversation-related features, is one of the most predictive of a person being nominated as a catalyst. Although influencers and brokers may have gotten more attention for their network positions, our findings provide converging evidence that another important role exists and is recognized in online social networks.
公開日:2021-08-13
翻訳日:2023-03-22 20:13:28
# 第4のペインレブ方程式と$pt$対称ハミルトニアン

Fourth Painlev\'e Equation and $PT$-Symmetric Hamiltonians ( http://arxiv.org/abs/2107.04935v2 )

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Carl M. Bender and J. Komijani(参考訳) この論文は、Painlev\e I と II の不安定なセパラトリクス解が $PT$-symmetric Hamiltonians によって決定されることを示す論文である。 本稿では,第4パインレフ配位子の不安定なセパラトリクス解を数値的,解析的に研究する。 固定初期値に対して、$y(0)=1$ とすると、初期傾斜の離散集合 $y'(0)=b_n$ は分離解をもたらす。 同様に、固定初期勾配に対して、$y'(0)=0$ とすると、初期値の離散集合 $y(0)=c_n$ はセパラトリクス解をもたらす。 Painlev\'e IV に対して、大きな$n$の漸近的振る舞いは$b_n$ の$b_n\sim B_{\rm IV}n^{3/4}$ であり、$c_n$ の$c_n\sim C_{\rm IV} n^{1/2}$ である。 定数$B_{\rm IV}$と$C_{\rm IV}$は数値的にも解析的にも決定される。 これらの定数の分析値は、非線形Painlev\'e IV方程式をセクシーな$PT$-symmetric Hamiltonian $H=\frac{1}{2} p^2+\frac{1}{8} x^6$の線形固有値方程式に還元することで得られる。

This paper is an addendum to earlier papers \cite{R1,R2} in which it was shown that the unstable separatrix solutions for Painlev\'e I and II are determined by $PT$-symmetric Hamiltonians. In this paper unstable separatrix solutions of the fourth Painlev\'e transcendent are studied numerically and analytically. For a fixed initial value, say $y(0)=1$, a discrete set of initial slopes $y'(0)=b_n$ give rise to separatrix solutions. Similarly, for a fixed initial slope, say $y'(0)=0$, a discrete set of initial values $y(0)=c_n$ give rise to separatrix solutions. For Painlev\'e IV the large-$n$ asymptotic behavior of $b_n$ is $b_n\sim B_{\rm IV}n^{3/4}$ and that of $c_n$ is $c_n\sim C_{\rm IV} n^{1/2}$. The constants $B_{\rm IV}$ and $C_{\rm IV}$ are determined both numerically and analytically. The analytical values of these constants are found by reducing the nonlinear Painlev\'e IV equation to the linear eigenvalue equation for the sextic $PT$-symmetric Hamiltonian $H=\frac{1}{2} p^2+\frac{1}{8} x^6$.
公開日:2021-08-03
翻訳日:2023-03-22 20:13:05
# 超伝導体を介する長距離磁気双極子-双極子相互作用

Long range magnetic dipole-dipole interaction mediated by a superconductor ( http://arxiv.org/abs/2107.05130v1 )

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Yoav Romach, Tal Wasserman, Shai Tishby, Nir Bar-Gill(参考訳) 量子計算とシミュレーションは、空間的に分離される可能性がある量子ビット間の強いコヒーレント結合を必要とする。 固体ベースのスピン量子ビットに対するこの結合を達成することは、長年の課題である。 本稿では、量子ビットによって生成された磁束を導出する超伝導ナノ構造に基づいて、そのようなカップリングを実現する手法を理論的に検討する。 超伝導層内のナノファブリケート開口の直下に位置するスピン量子ビットを描いた磁気双極子による磁場の半古典的解析計算とシミュレーションについて述べる。 このような構造は磁束を流し、スピン量子ビット間の双極子-双極子相互作用を強化し、そのスケーリングを距離で変化させることで、相互作用するスピン系を制御可能とした。

Quantum computation and simulation requires strong coherent coupling between qubits, which may be spatially separated. Achieving this coupling for solid-state based spin qubits is a long-standing challenge. Here we theoretically investigate a method for achieving such coupling, based on superconducting nano-structures designed to channel the magnetic flux created by the qubits. We detail semi-classical analytical calculations and simulations of the magnetic field created by a magnetic dipole, depicting the spin qubit, positioned directly below nanofabricated apertures in a superconducting layer. We show that such structures could channel the magnetic flux, enhancing the dipole-dipole interaction between spin qubits and changing its scaling with distance, thus potentially paving the way for controllably engineering an interacting spin system.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:11:53
# 基底状態エネルギー密度問題の計算複雑性

Computational Complexity of the Ground State Energy Density Problem ( http://arxiv.org/abs/2107.05060v1 )

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James D. Watson, Toby S. Cubitt(参考訳) 無限格子サイズの熱力学的極限における格子上の局所ハミルトニアンの基底状態エネルギー密度を求める複雑さについて検討する。 我々はこれを関数問題として厳密に定式化し、そこでは基底状態エネルギー密度を特定の精度で推定し、等価な公約問題として$\mathsf{GSED}$として、基底状態エネルギー密度が指定されたしきい値以上であるかを問う。 基底状態エネルギー密度問題は、その基底状態エネルギー密度が一定の実数である熱力学の極限において、単一の固定ハミルトニアンに関係しているという点で珍しい。 計算問題に対する唯一の入力は、基底状態エネルギー密度に対応する固定実数を計算する精度である。 したがって、複雑性クラスに対するこの問題のハードネスは、クラス内のすべての問題の解がこの1つの数で符号化されることを意味する(計算可能性理論におけるChaitinの定数に類似している)。 これは、熱力学的極限における単一のハミルトニアンの物理的性質に通常関係する凝縮物物理学でよく見られる問題の一種である。 2次元正方格子上の古典的、翻訳的不変、最寄りのハミルトニアンに対しては、$\mathsf{p}^{\mathsf{neexp}}\subseteq\mathsf{exp}^{\mathsf{gsed}}\subseteq \mathsf{exp}^{\mathsf{nexp}}$、量子ハミルトンでは$\mathsf{p}^{\mathsf{neexp}}\subseteq\mathsf{exp}^{\mathsf{gsed}}\subseteq \mathsf{qma}_{exp}}$である。 oracleの定義に関する技術的な注意事項により、これらの結果のいくつかにおける$\mathsf{exp}$は$\mathsf{pspace}$に強化できる。 また、$\mathsf{gsed}$の関数バージョンに対する類似の複雑性境界を与える。

We study the complexity of finding the ground state energy density of a local Hamiltonian on a lattice in the thermodynamic limit of infinite lattice size. We formulate this rigorously as a function problem, in which we request an estimate of the ground state energy density to some specified precision; and as an equivalent promise problem, $\mathsf{GSED}$, in which we ask whether the ground state energy density is above or below specified thresholds. The ground state energy density problem is unusual, in that it concerns a single, fixed Hamiltonian in the thermodynamic limit, whose ground state energy density is just some fixed, real number. The only input to the computational problem is the precision to which to estimate this fixed real number, corresponding to the ground state energy density. Hardness of this problem for a complexity class therefore implies that the solutions to all problems in the class are encoded in this single number (analogous to Chaitin's constant in computability theory). This captures computationally the type of question most commonly encountered in condensed matter physics, which is typically concerned with the physical properties of a single Hamiltonian in the thermodynamic limit. We show that for classical, translationally invariant, nearest neighbour Hamiltonians on a 2D square lattice, $\mathsf{P}^{\mathsf{NEEXP}}\subseteq\mathsf{EXP}^{\mathsf{GSED}}\subseteq \mathsf{EXP}^{\mathsf{NEXP}}$, and for quantum Hamiltonians $\mathsf{P}^{\mathsf{NEEXP}}\subseteq\mathsf{EXP}^{\mathsf{GSED}}\subseteq \mathsf{EXP}^{\mathsf{QMA}_{EXP}}$. With some technical caveats on the oracle definitions, the $\mathsf{EXP}$ in some of these results can be strengthened to $\mathsf{PSPACE}$. We also give analogous complexity bounds for the function version of $\mathsf{GSED}$.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:11:40
# ねじれの有無における干渉効果と修正ボーン則

Interference effects and modified Born rule in the presence of torsion ( http://arxiv.org/abs/2107.05058v2 )

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Eduardo Bittencourt, Alexsandre L. Ferreira Junior, and Iarley P. Lobo(参考訳) 位相的欠陥を持つ物質媒体における非相対論的励起の伝播は、シュレーディンガー方程式を修正する外部ねじれ場の観点からモデル化することができる。 摂動的アプローチにより、0.1アングストロームの次数の干渉パターンの補正を原子スケールで実験的に行うことができる波動関数の解を求める。 最後に、摂動論は非単体であるが、この幾何的だが効果的なアプローチが波動関数の確率論的解釈にどのように適合するかを実証する。

The propagation of nonrelativistic excitations in material media with topological defects can be modeled in terms of an external torsion field modifying the Schroedinger equation. Through a perturbative approach, we find a solution for the wave function which gives corrections in the interference patterns of the order of 0.1 Angstrom, for a possible experimental setup at atomic scales. Finally, we demonstrate how this geometric, but effective, approach can indeed accommodate a probabilistic interpretation of the wave function although the perturbative theory is nonunitary.
公開日:2021-12-21
翻訳日:2023-03-22 20:10:41
# 対実プロトコルの対実性解析のための3つのアプローチ

Three approaches for analyzing the counterfactuality of counterfactual protocols ( http://arxiv.org/abs/2107.05055v1 )

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Alon Wander, Eliahu Cohen and Lev Vaidman(参考訳) 対物通信プロトコルは古典的議論、弱いトレース基準、フィッシャー情報基準の3つのアプローチを用いて分析される。 古典的な分析は矛盾を招き、従って放棄されるべきである。 弱いトレースとフィッシャー情報基準は, ポストセレクションを含む通信プロトコルの非現実性の程度に一致している。 ポストセレクションは反事実コミュニケーションプロトコルの必要な要素であると主張する。 コヒーレントな相互作用実験と、弱いトレースを除去する対実的通信装置の最近の変更について論じる。

Counterfactual communication protocols are analysed using three approaches: a classical argument, the weak trace criterion, and the Fisher information criterion. It is argued that the classical analysis leads to contradiction and should therefore be abandoned. The weak trace and Fisher information criteria are shown to agree about the degree of counterfactuality of communication protocols involving postselection. It is argued that postselection is a necessary ingredient of counterfactual communication protocols. Coherent interaction experiments, as well as a recently introduced modification of counterfactual communication setups which eliminates the weak trace, are discussed.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:10:33
# 光浮遊誘電体ナノ粒子の双極子散乱のイメージング

Imaging the dipole scattering of an optically levitated dielectric nanoparticle ( http://arxiv.org/abs/2107.05042v1 )

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Yuanbin Jin, Jiangwei Yan, Shah Jee Rahman, Xudong Yu and Jing Zhang(参考訳) ナノ粒子の双極子散乱を高数値開口(NA)イメージングシステムを用いて実験的に観察した。 光浮上性ナノ粒子は、粒子-基板相互作用のない環境を提供する。 我々は、散乱収集に使用する高NA目標に強く焦点を絞った1064nmトラップレーザビームの伝播方向に対して直交する532nmレーザービームで真空中でシリカナノ粒子を照射し、暗背景と高信号ノイズ比をもたらす。 入射レーザの線形偏光により誘起されるナノ粒子の双極子配向を、照明光偏光を回転させる際の像内の散乱光分布とフーリエ空間(k空間)を測定することにより研究した。 顕微鏡対象の光学軸に沿ってナノ粒子の双極子配向が整列している場合には、特別に偏光渦(ベクトルビーム)が観察される。 我々の研究は、カーカー条件で散乱異方性を研究するための重要なプラットフォームを提供する。

We experimentally observe the dipole scattering of a nanoparticle using a high numerical aperture (NA) imaging system. The optically levitated nanoparticle provides an environment free of particle-substrate interaction. We illuminate the silica nanoparticle in vacuum with a 532 nm laser beam orthogonally to the propagation direction of the 1064 nm trapping laser beam strongly focused by the same high NA objective used to collect the scattering, which results in a dark background and high signal-noise ratio. The dipole orientations of the nanoparticle induced by the linear polarization of the incident laser are studied by measuring the scattering light distribution in the image and the Fourier space (k-space) as we rotate the illuminating light polarization. The polarization vortex (vector beam) is observed for the special case, when the dipole orientation of the nanoparticle is aligned along the optical axis of the microscope objective. Our work offers an important platform for studying the scattering anisotropy with Kerker conditions.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:10:23
# 1次元および2次元タイト結合格子の量子輸送と局在

Quantum transport and localization in 1d and 2d tight-binding lattices ( http://arxiv.org/abs/2107.05035v1 )

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Amir H. Karamlou, Jochen Braum\"uller, Yariv Yanay, Agustin Di Paolo, Patrick Harrington, Bharath Kannan, David Kim, Morten Kjaergaard, Alexander Melville, Sarah Muschinske, Bethany Niedzielski, Antti Veps\"al\"ainen, Roni Winik, Jonilyn L. Yoder, Mollie Schwartz, Charles Tahan, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson and William D. Oliver(参考訳) 凝縮マター系における粒子輸送と局在現象は、強結合格子ハミルトニアンを用いてモデル化することができる。 このようなモデルの理想的な実験エミュレーションは、高コヒーレントな量子システムにおいて、各格子サイトの同時かつ高忠実な制御と読み出しを利用する。 ここでは, 量子輸送を1次元および2次元の強結合格子で実験的に研究し, 完全に制御可能な3-\times 3$配列の超伝導量子ビットでエミュレートした。 格子内における絡み合いの伝播を探索し,アンダーソン・アンド・ワニエ・スターク政権における部位可変性障害強度と勾配の存在下での局在度を抽出する。 この結果は数値シミュレーションと定量的に一致し,タイト結合モデルに基づく理論予測と一致する。 システムオブザーバブルの抽出における実験的制御と精度の実証レベルは、数値シミュレーションが難解になる大きな相互作用格子の探索を可能にする。

Particle transport and localization phenomena in condensed-matter systems can be modeled using a tight-binding lattice Hamiltonian. The ideal experimental emulation of such a model utilizes simultaneous, high-fidelity control and readout of each lattice site in a highly coherent quantum system. Here, we experimentally study quantum transport in one-dimensional and two-dimensional tight-binding lattices, emulated by a fully controllable $3 \times 3$ array of superconducting qubits. We probe the propagation of entanglement throughout the lattice and extract the degree of localization in the Anderson and Wannier-Stark regimes in the presence of site-tunable disorder strengths and gradients. Our results are in quantitative agreement with numerical simulations and match theoretical predictions based on the tight-binding model. The demonstrated level of experimental control and accuracy in extracting the system observables of interest will enable the exploration of larger, interacting lattices where numerical simulations become intractable.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:10:06
# 量子近似最適化アルゴリズムによる最大確率検出

Quantum Approximate Optimization Algorithm Based Maximum Likelihood Detection ( http://arxiv.org/abs/2107.05020v1 )

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Jingjing Cui, Yifeng Xiong, Soon Xin Ng, Lajos Hanzo(参考訳) 量子技術の最近の進歩は、ノイズの多い中間スケール量子(NISQ)デバイスへの道を切り開いており、そこでは量子近似最適化アルゴリズム(QAOAs)が、NISQデバイスに基づく有形量子優位性を示す有望な候補となっている。 本稿では,複数入力および複数出力(MIMO)チャネル上で送信されるバイナリシンボルの最大確率(ML)検出問題について考察する。 本稿では、2pの変動パラメータを持つレベルpのQAOA回路に関心の問題を符号化することにより、ML検出にQAOAを適用する。 このレベルp qaoa回路は、本問題と初期ハミルトニアンをp次ラウンドで交互に適用することにより構成される。 より明確に、我々はまずML検出問題の最適解をハミルトニアン問題の基底状態に符号化する。 量子断熱進化法を用いて,ml検出に用いる量子システムの固有値の進化を特徴付ける解析結果と数値値の両方を提供する。 そして、レベル1のQAOA回路に対して、QAOAの期待値の解析式を導出し、QAOAベースのML検出器の複雑さについて議論する。 本稿では,従来の最適化器の計算複雑性と,QAOAをシミュレーションするストレージ要件について検討する。 最後に、QAOAベースのML検出器のビット誤り率(BER)を評価し、従来のML検出器と従来のMMSE検出器の両方と比較し、QAOAベースのML検出器が従来のML検出器の性能に近づくことができることを示した。 これにより、NISQコンピュータによって解決される大規模な古典的最適化問題のホストの道が開ける。

Recent advances in quantum technologies pave the way for noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices, where quantum approximation optimization algorithms (QAOAs) constitute promising candidates for demonstrating tangible quantum advantages based on NISQ devices. In this paper, we consider the maximum likelihood (ML) detection problem of binary symbols transmitted over a multiple-input and multiple-output (MIMO) channel, where finding the optimal solution is exponentially hard using classical computers. Here, we apply the QAOA for the ML detection by encoding the problem of interest into a level-p QAOA circuit having 2p variational parameters, which can be optimized by classical optimizers. This level-p QAOA circuit is constructed by applying the prepared Hamiltonian to our problem and the initial Hamiltonian alternately in p consecutive rounds. More explicitly, we first encode the optimal solution of the ML detection problem into the ground state of a problem Hamiltonian. Using the quantum adiabatic evolution technique, we provide both analytical and numerical results for characterizing the evolution of the eigenvalues of the quantum system used for ML detection. Then, for level-1 QAOA circuits, we derive the analytical expressions of the expectation values of the QAOA and discuss the complexity of the QAOA based ML detector. Explicitly, we evaluate the computational complexity of the classical optimizer used and the storage requirement of simulating the QAOA. Finally, we evaluate the bit error rate (BER) of the QAOA based ML detector and compare it both to the classical ML detector and to the classical MMSE detector, demonstrating that the QAOA based ML detector is capable of approaching the performance of the classical ML detector. This paves the way for a host of large-scale classical optimization problems to be solved by NISQ computers.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:09:53
# 微分マップエリートによる自己参照品質の多様性

Self-Referential Quality Diversity Through Differential Map-Elites ( http://arxiv.org/abs/2107.04964v1 )

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Tae Jong Choi and Julian Togelius(参考訳) Differential MAP-ElitesはCVT-MAP-Elitesの照明能力と微分進化の連続空間最適化能力を組み合わせた新しいアルゴリズムである。 このアルゴリズムは、照明アルゴリズムと品質多様性アルゴリズムが、進化的計算のための定性的に新しい機能と応用を提供するという観察によって動機付けられている。 ここで初めて導入された基本的な微分 MAP-Elites アルゴリズムは、微分進化の演算子とCVT-MAP-Elites の写像構造を単純に組み合わせることで比較的単純である。 25の数値最適化問題に基づく実験により、差分MAP-エリートはCVT-MAP-エリートよりも明らかに優れ、より高品質で多様な解が見つかることが示唆された。

Differential MAP-Elites is a novel algorithm that combines the illumination capacity of CVT-MAP-Elites with the continuous-space optimization capacity of Differential Evolution. The algorithm is motivated by observations that illumination algorithms, and quality-diversity algorithms in general, offer qualitatively new capabilities and applications for evolutionary computation yet are in their original versions relatively unsophisticated optimizers. The basic Differential MAP-Elites algorithm, introduced for the first time here, is relatively simple in that it simply combines the operators from Differential Evolution with the map structure of CVT-MAP-Elites. Experiments based on 25 numerical optimization problems suggest that Differential MAP-Elites clearly outperforms CVT-MAP-Elites, finding better-quality and more diverse solutions.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:09:20
# 脱分極型レコメンダシステムの設計

Designing Recommender Systems to Depolarize ( http://arxiv.org/abs/2107.04953v1 )

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Jonathan Stray(参考訳) 分極化は民主主義の侵食と暴力の進行に関係しており、大規模なアルゴリズム的コンテンツ選択システム(リコンペンダーシステム)の分極特性が平和と安全保障の懸念事項となっている。 アルゴリズム駆動のソーシャルメディアは、国レベルでの偏光の主要な要因とは思えないが、偏光社会において有用な介入ポイントとなるかもしれない。 本稿では,対立の抑制や排除ではなく,より建設的な対立に向けたアルゴリズム的非分極介入について検討する。 アルゴリズムによる介入は、どのコンテンツが利用可能か(モデレーション)、コンテンツの選択とパーソナライズ方法(ランク付け)、コンテンツのプレゼンテーションとコントロール(ユーザインターフェース)の3段階で検討される。 オンライン紛争に関する実証研究は、「フィルターバブル」に対する解毒剤として提案された暴露多様性の介入が改善され、ある条件下では分極が悪化する可能性を示唆している。 コンテンツ選択の多様性にともなうcivility metricsの使用は、より効果的かもしれない。 しかし、多様性に基づく介入は大規模にテストされておらず、実際のプラットフォームの多様性と動的コンテキストでは機能しない可能性がある。 代わりに、プラットフォーム偏光力学の介入は、広く使われている「フィーリング温度計」のような偏光測定の連続的なモニタリングを必要とする可能性が高い。 これらのメトリクスは製品の特徴を評価するのに使われ、アルゴリズムの目的として設計される可能性がある。 さらに、最適化プロセスが競合を副作用として生み出すのを防ぐために、レコメンダアルゴリズムの目的関数に偏極対策を含める必要があるかもしれない。

Polarization is implicated in the erosion of democracy and the progression to violence, which makes the polarization properties of large algorithmic content selection systems (recommender systems) a matter of concern for peace and security. While algorithm-driven social media does not seem to be a primary driver of polarization at the country level, it could be a useful intervention point in polarized societies. This paper examines algorithmic depolarization interventions with the goal of conflict transformation: not suppressing or eliminating conflict but moving towards more constructive conflict. Algorithmic intervention is considered at three stages: which content is available (moderation), how content is selected and personalized (ranking), and content presentation and controls (user interface). Empirical studies of online conflict suggest that the exposure diversity intervention proposed as an antidote to "filter bubbles" can be improved and can even worsen polarization under some conditions. Using civility metrics in conjunction with diversity in content selection may be more effective. However, diversity-based interventions have not been tested at scale and may not work in the diverse and dynamic contexts of real platforms. Instead, intervening in platform polarization dynamics will likely require continuous monitoring of polarization metrics, such as the widely used "feeling thermometer." These metrics can be used to evaluate product features, and potentially engineered as algorithmic objectives. It may further prove necessary to include polarization measures in the objective functions of recommender algorithms to prevent optimization processes from creating conflict as a side effect.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:09:04
# 衝突誘起スピンノイズ

Collision-induced spin noise ( http://arxiv.org/abs/2107.04942v1 )

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Shiming Song, Min Jiang, Yushu Qin, Yu Tong, Wenzhe Zhang, Xi Qin, Ren-Bao Liu, Xinhua Peng(参考訳) 衝突現象はユビキタスであり、原子と分子の微細構造や分子間相互作用を決定する上で重要である。 既存のアプローチは、主に原子または分子の散乱に基づいており、超高真空と低温のシステムの使用の不便さによって妨げられている。 ここでは、プローブ光の光偏光回転ノイズを簡易な装置と環境条件で測定することにより、新しいスピンノイズ分光法を示す。 我々の手法は、数十ギガヘルツの帯域幅と1部1万の分解能を備え、既存のスピンノイズ技術より優れている。 この新しい手法により, アルカリ原子の衝突誘起スピンノイズを観測し, 衝突径, 井戸深さ, 支配的相互作用型といった重要な衝突パラメータを正確に決定する。 本研究は環境条件下での幅広い衝突現象を研究するための新しいツールを提供する。

Collision phenomena are ubiquitous and of importance in determining the microscopic structures and intermolecular interactions of atoms and molecules. The existing approaches are mostly based on atomic or molecular scatterings, which are hindered by the inconvenience of using ultra-high vacuum and low temperature systems. Here we demonstrate a new spin-noise spectroscopic approach by measuring optical polarization rotation noise of the probe light, which operates with simple apparatus and ambient conditions. Our approach features tens of gigahertz bandwidth and one part-per-million resolution, outperforming existing spin-noise techniques. Enabled by the new technique, we observe the collision-induced spin noise of alkali atoms, and precisely determine key collision parameters, such as collision diameter, well depth, and dominant interaction type. Our work provides a new tool to study a broad range of collision phenomena under ambient conditions.
公開日:2021-07-11
翻訳日:2023-03-22 20:08:34
# Bethe ansatz法によるTavis-Cummings量子電池の最適状態

Optimal state for a Tavis-Cummings quantum battery via the Bethe ansatz method ( http://arxiv.org/abs/2107.05248v2 )

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Wangjun Lu, Jie Chen, Le-Man Kuang, and Xiaoguang Wang(参考訳) 本稿では,T-C(Tavis-Cummings)量子電池の性能に及ぼす異なる光界初期状態の影響について検討する。 システムの動的進化を解くために、我々はベーテ・アンザッツ方程式を解く高速な方法を発見した。 その結果, t-c 量子バッテリの蓄積エネルギーと平均帯電電力は, 数状態における光電界初期状態の確率分布と密接に関連していることがわかった。 数状態保存エネルギーと呼ばれる量を定義する。 この所定量では、T-C量子電池の蓄電エネルギーと平均充電パワーをいつでも得るために、数状態における光電界初期状態の確率分布のみを知る必要がある。 本研究では, 2 つの不等式が得られ, 2 つの不等式をジェンセンの不等式に還元できる等確率および等しい期待値分割法を提案する。 この方法により,光学場の最適初期状態が得られた。 その結果, t-c量子電池の最大蓄積エネルギーと最大平均充電パワーは初期平均光子数に比例し, 初期平均光子数が十分に大きい場合には量子電池をフル充電できることがわかった。 2つの現象は、2つの経験的不等式によって説明できる。 これら2つの現象は、t-c量子バッテリの蓄積エネルギーを数状態キャビティ場に過敏性を示す。 最後に,電池性能に及ぼす脱コヒーレンスの影響について検討した。

In this paper, we investigate the effect of different optical field initial states on the performance of the Tavis-Cummings (T-C) quantum battery. In solving the dynamical evolution of the system, we found a fast way to solve the Bethe ansatz equation. We find that the stored energy and the average charging power of the T-C quantum battery are closely related to the probability distribution of the optical field initial state in the number states. We define a quantity called the number-state stored energy. With this prescribed quantity, we only need to know the probability distribution of the optical field initial state in the number states to obtain the stored energy and the average charging power of the T-C quantum battery at any time. We propose an equal probability and equal expected value splitting method by which we can obtain two inequalities, and the two inequalities can be reduced to Jensen's inequalities. By this method, we found the optimal initial state of the optical field. We found that the maximum stored energy and the maximum average charging power of the T-C quantum battery are proportional to the initial average photon number, and the quantum battery can be fully charged when the initial average photon number is large enough. We found two phenomena, which can be described by two empirical inequalities. These two phenomena imply the hypersensitivity of the stored energy of the T-C quantum battery to the number-state cavity field. Finally, we discussed the impact of decoherence on battery performance.
公開日:2021-10-28
翻訳日:2023-03-22 18:27:38
# 量子時間結晶の非線形2レベルダイナミクス

Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals ( http://arxiv.org/abs/2107.05236v1 )

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Samuli Autti, Petri J Heikkinen, Jaakko Nissinen, Jere T M\"akinen, Grigori E Volovik, Vladislav V Zavjalov, Vladimir B Eltsov(参考訳) 時間結晶(英: time crystal)は、基底状態における周期運動の巨視的量子系であり、環境とのエネルギー交換から分離された場合のみ安定である。 そのため、別々の時間結晶の結合は困難であり、動的環境における時間結晶はまだ研究されていない。 実験では、スピン波準粒子(マグノン)からなる2つの結合時間結晶が、マクロな2レベル系を形成する。 2つのレベルは、非線形フィードバックによって本質的に決定されるように時間的に進化する。 マグノンはランダウ・ツェナー効果によって駆動される地上レベルから励起レベルへ移動し、ラビの個体群振動と結合する。 したがって、相互作用する時間結晶間の自発的なダイナミクスの配置方法を示す。 私たちの実験では、実験の1つの実行でインタラクションのあらゆる側面と詳細にアクセスでき、技術的搾取を招きます。

A time crystal is a macroscopic quantum system in periodic motion in its ground state, stable only if isolated from energy exchange with the environment. For this reason, coupling separate time crystals is challenging, and time crystals in a dynamic environment have yet not been studied. In our experiments, two coupled time crystals made of spin-wave quasiparticles (magnons) form a macroscopic two-level system. The two levels evolve in time as determined intrinsically by a nonlinear feedback. Magnons move from the ground level to the excited level driven by the Landau-Zener effect, combined with Rabi population oscillations. We thus demonstrate how to arrange spontaneous dynamics between interacting time crystals. Our experiments allow access to every aspect and detail of the interaction in a single run of the experiment, inviting technological exploitation-- potentially even at room temperature.
公開日:2021-07-12
翻訳日:2023-03-22 18:27:17
# 例外的Scarf-Iポテンシャルの一般化されたコヒーレント状態:その時空間的および統計的性質

Generalized coherent states of exceptional Scarf-I potential: Their spatio-temporal and statistical properties ( http://arxiv.org/abs/2107.05229v1 )

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T. Shreecharan and S. Sree Ranjani(参考訳) 我々は、合理的に拡張されたスカーフiポテンシャルに対する一般化されたコヒーレント状態を構成する。 これらの状態の統計的および幾何学的性質を調査した。 特に、量子カーペット構造と自己相関関数を介してコヒーレント状態の時空間的性質の研究に重点が置かれている。 本研究では,従来のポテンシャルの「有理化」と古典直交多項式のシグネチャを求める。

We construct generalized coherent states for the rationally extended Scarf-I potential. Statistical and geometrical properties of these states are investigated. Special emphasis is given to the study of spatio-temporal properties of the coherent states via the quantum carpet structure and the auto-correlation function. Through this study, we aim to find the signature of the `"rationalisation" of the conventional potentials and the classical orthogonal polynomials.
公開日:2021-07-12
翻訳日:2023-03-22 18:27:03
# 単一絡み合った光子対を用いた多次元干渉分光における識別性と「どの経路」情報

Distinguishability and "which pathway" information in multidimensional interferometric spectroscopy with a single entangled photon-pair ( http://arxiv.org/abs/2107.05228v1 )

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Shahaf Asban, Shaul Mukamel(参考訳) 相関光子は、量子(反)相関の恩恵を受け、古典光子を上回る、メトロロジー関連プラットフォームの存在感を喚起する。 このような実証は主に絡み合いに焦点が当てられているが、光子交換相の役割と識別性の度合いは量子エンハンス応用では広く使われていない。 干渉計を用いて、2光子波動関数が物質と結合されたときでも、信頼できる「どの経路」情報で符号化されることを示す。 微視的相互作用履歴(経路)間の位相識別を可能にする干渉型交換相サイクルプロトコルを開発した。 量子光干渉法は、ウェーブパケットの逆帯域の不確実性により非有界な全く異なる時間遅延変数の集合を促進する。 本研究は,エキシトンモデルシステムを用いて,時間領域におけるバンド内劣化を時間分解能なしで検出する方法を実証する。 応用強度に対する多光子一致のエキゾチックなスケーリングについて考察した。

Correlated photons inspire abundance of metrology-related platforms, which benefit from quantum (anti-) correlations and outperform their classical-light counterparts. While such demonstrations mainly focus on entanglement, the role of photon exchange-phase and degree of distinguishability have not been widely utilized in quantum-enhanced applications. Using an interferometric setup we show that even at low degree entanglement, when a two-photon wave-function is coupled to matter, it is encoded with a reliable "which pathway?" information. An interferometric exchange-phase-cycling protocol is developed, which enables phase-sensitive discrimination between microscopic interaction histories (pathways). We find that quantum-light interferometry facilitates utterly different set of time-delay variables, which are unbound by uncertainty to the inverse bandwidth of the wave-packet. We illustrate our findings on an exciton model-system, and demonstrate how to probe intraband dephasing in time-domain without temporal resolution at the detection. The exotic scaling of multiphoton coincidence with respect to the applied intensity is discussed.
公開日:2021-07-12
翻訳日:2023-03-22 18:26:55
# ハイブリッド量子システムにおける絡み合い観測の展望

Perspective on witnessing entanglement in hybrid quantum systems ( http://arxiv.org/abs/2107.05208v2 )

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Yingqiu Mao, Ming Gong, Kae Nemoto, William J. Munro, Johannes Majer(参考訳) ハイブリッド量子システムの目的は、異なる物理システムの利点を結合し、新しい量子デバイスを作ることである。 特に、固体結晶中の超伝導回路とスピンのハイブリッド結合は、多くの量子電磁力学問題を探求するための汎用プラットフォームである。 近年, 超伝導バスによるダイヤモンド中の窒素空孔中心スピンの遠隔結合が実証された。 しかし、このハイブリッド系の量子的性質、特に絡み合いに関する厳密な実験的なテストはまだ欠落している。 我々は、絡みを発生・検出するための理論的アイデアをレビューし、これを実現するための独自のスキームを提示する。

Hybrid quantum systems aim at combining the advantages of different physical systems and to produce novel quantum devices. In particular, the hybrid combination of superconducting circuits and spins in solid-state crystals is a versatile platform to explore many quantum electrodynamics problems. Recently, the remote coupling of nitrogen-vacancy center spins in diamond via a superconducting bus was demonstrated. However, a rigorous experimental test of the quantum nature of this hybrid system and in particular entanglement is still missing. We review the theoretical ideas to generate and detect entanglement, and present our own scheme to achieve this.
公開日:2021-09-16
翻訳日:2023-03-22 18:26:37
# 3モードガウス状態の量子照明

Quantum Illumination with three-mode Gaussian State ( http://arxiv.org/abs/2107.05203v4 )

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Eylee Jung and DaeKil Park(参考訳) 量子照明は、1つの信号と2つのアイドラービームを含む3モードの最大絡み合ったガウス状態を用いて検討される。 1信号当たり平均光子数であるn_s$が0.295ドル未満のとき、2モードガウス状態から導かれる以前の結果よりも、$\rho$(目標不在状態)と$\sigma$(目標存在状態)の間の量子バッタリーヤは少ないことが示されている。 これは、3モードガウス状態の量子照明は、$n_s < 0.295$のとき、2モードガウス状態よりも誤差確率が低いことを示している。

The quantum illumination is examined by making use of the three-mode maximally entangled Gaussian state, which involves one signal and two idler beams. It is shown that the quantum Bhattacharyya bound between $\rho$ (state for target absence) and $\sigma$ (state for target presence) is less than the previous result derived by two-mode Gaussian state when $N_S$, average photon number per signal, is less than $0.295$. This indicates that the quantum illumination with three-mode Gaussian state gives less error probability compared to that with two-mode Gaussian state when $N_S < 0.295$.
公開日:2022-03-13
翻訳日:2023-03-22 18:26:28
# 量子ギルバート・バルシャモフ境界を漸近的に達成する部分連結カルダーバンク・ソー・ステア符号

Partially Concatenated Calderbank-Shor-Steane Codes Achieving the Quantum Gilbert-Varshamov Bound Asymptotically ( http://arxiv.org/abs/2107.05174v2 )

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Jihao Fan, Jun Li, Ya Wang, Yonghui Li, Min-Hsiu Hsieh, and Jiangfeng Du(参考訳) 本稿では,量子ギルバート・バルシャモフ(GV)を漸近的に達成する量子誤り訂正符号の新たなファミリを構築するために,結合方式を用いる。 我々は、Calderbank-Shor-Steane (CSS) コードを構築するために、古典的なGV境界を達成するような線形コードと交代符号を結合する。 結合されたコードは漸近的に量子gvバウンドを達成でき、非対称パウリチャネルのハッシングバウンドに近づくことができる。 SteaneのCSSコードの拡張構成を組み込むことで、拡張CSSコードの量子GVバウンドを漸近的に達成する、拡張安定化コードのファミリーを導出する。 アプリケーションとして、パラメータ $\mathscr{Q}_1=[[N,\Omega(\sqrt{N}),\Omega( \sqrt{N})]],$ and $\mathscr{Q}_2=[[N,\Omega(N/\log N),\Omega(N/\log N)/\Omega(\log N)] の2種類の高速エンコード可能なCSSコードを導出します。 $$O(N)$とdeep $O(\sqrt{N})$の回路で、$\mathscr{Q}_1$を非常に効率的に符号化できることを示す。 入力エラーシンドロームの場合、$\mathscr{Q}_1$は、O(N)$時間で制限された最小距離の半分の重量の逆誤差を補正することができる。 また$\mathscr{q}_1$は、$o(\sqrt{n})$クラシックプロセッサを使用して、並列に$o(\sqrt{n})$時間で復号することもできる。 入力エラー症候群の場合、$\mathscr{q}_2$は、高い確率で${x}$-errorsの線形数と$o(n)$時間で${z}$-errorsのほぼ線形数を訂正できることが証明された。 さらに、$\mathscr{Q}_2$は、$O(\log(N))$ time において $O(N)$ classical processor を用いて並列に復号することができる。

In this paper, we utilize a concatenation scheme to construct new families of quantum error correction codes achieving the quantum Gilbert-Varshamov (GV) bound asymptotically. We concatenate alternant codes with any linear code achieving the classical GV bound to construct Calderbank-Shor-Steane (CSS) codes. We show that the concatenated code can achieve the quantum GV bound asymptotically and can approach the Hashing bound for asymmetric Pauli channels. By combing Steane's enlargement construction of CSS codes, we derive a family of enlarged stabilizer codes achieving the quantum GV bound for enlarged CSS codes asymptotically. As applications, we derive two families of fast encodable and decodable CSS codes with parameters $\mathscr{Q}_1=[[N,\Omega(\sqrt{N}),\Omega( \sqrt{N})]],$ and $\mathscr{Q}_2=[[N,\Omega(N/\log N),\Omega(N/\log N)/\Omega(\log N)]].$ We show that $\mathscr{Q}_1$ can be encoded very efficiently by circuits of size $O(N)$ and depth $O(\sqrt{N})$. For an input error syndrome, $\mathscr{Q}_1$ can correct any adversarial error of weight up to half the minimum distance bound in $O(N)$ time. $\mathscr{Q}_1$ can also be decoded in parallel in $O(\sqrt{N})$ time by using $O(\sqrt{N})$ classical processors. For an input error syndrome, we proved that $\mathscr{Q}_2$ can correct a linear number of ${X}$-errors with high probability and an almost linear number of ${Z}$-errors in $O(N )$ time. Moreover, $\mathscr{Q}_2$ can be decoded in parallel in $O(\log(N))$ time by using $O(N)$ classical processors.
公開日:2023-01-11
翻訳日:2023-03-22 18:26:13
# ユタ州における再分権の数学的解析

Mathematical Analysis of Redistricting in Utah ( http://arxiv.org/abs/2107.05515v3 )

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Annika King, Jacob Murri, Jake Callahan, Adrienne Russell, Tyler J. Jarvis(参考訳) ユタ州議会地区における党派ゲリマンディングの評価の難しさとユタ州における多くの共通指標の失敗について議論する。 我々は、共和党の最小共和党地区における投票シェアが、ユタ州議会選挙区における各党の有利あるいは不利を示す良い指標である理由を説明する。 LRVSは、少なくとも1つの競争地区でのみ意味があるが、その設定では、与えられた再分権計画が共和党や民主党に有利または不利益をもたらす範囲を直接捉えている。 我々は、ユタ州議会選挙区の文脈において、パルチザンジェリーマンディングの最も一般的な手段を評価するためにLRVSを使用している。 我々はマルコフ連鎖モンテカルロ法による代替再限定計画の大規模なアンサンブルを生成する。 我々はまた、2011年のユタ州議会案がジェリーマンダードなのかという質問に対して、この新しいメートル法の影響と結果について論じている。

We discuss difficulties of evaluating partisan gerrymandering in the congressional districts in Utah and the failure of many common metrics in Utah. We explain why the Republican vote share in the least-Republican district (LRVS) is a good indicator of the advantage or disadvantage each party has in the Utah congressional districts. Although the LRVS only makes sense in settings with at most one competitive district, in that setting it directly captures the extent to which a given redistricting plan gives advantage or disadvantage to the Republican and Democratic parties. We use the LRVS to evaluate the most common measures of partisan gerrymandering in the context of Utah's 2011 congressional districts. We do this by generating large ensembles of alternative redistricting plans using Markov chain Monte Carlo methods. We also discuss the implications of this new metric and our results on the question of whether the 2011 Utah congressional plan was gerrymandered.
公開日:2022-07-19
翻訳日:2023-03-22 18:21:05
# ポジトロニウムの欠陥理論と非自明なqed関係

Defect Theory of Positronium and Nontrivial QED Relations ( http://arxiv.org/abs/2107.05505v2 )

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David M. Jacobs(参考訳) ポジトロニウムの励起状態の効果的な理論が導出され、その結果のいくつかが研究されている。 大きな物理的分離では、電子と陽電子の結合はqedによって完全に記述されると仮定されるが、qed内外を含む全ての短距離現象はエネルギー依存の量子欠陥によって説明できる。 この理論には少なくとも2つの実用的応用がある。 まず、正確で経済的だがqedに依存しない手段を提供し、実験の結果を予測・比較するために陽電子スペクトルに適合させる。 第二に、この有効理論のスペクトルを qed によって予測されるスペクトルと一致させることで、非自明な関係性が \emph{within} 境界状態 qed の存在を示し、スペクトルに対するいくつかの高階の寄与は低階の寄与から得られる。 これらの関係は$m\alpha^{6}$の順序で検証され、$m\alpha^{7}$と$m\alpha^{8}$の順序で予測される。 この理論と他の水素系への拡張は、境界状態 QED を補うのに役立つかもしれない。

An effective theory of the excited states of positronium is derived and some of its consequences are explored. At large physical separation, the binding of the electron and positron is assumed to be described completely by QED, whereas all short-ranged phenomena, including those within and beyond QED, can be accounted for with energy-dependent quantum defects. This theory has at least two practical applications. First, it provides an accurate and economical, yet largely QED-independent, means to fit the positronium spectrum in order to predict and compare the outcome of experiments. Second, matching the spectrum in this effective theory to that predicted by QED reveals nontrivial relationships that exist \emph{within} bound-state QED; some higher order contributions to the spectrum may be obtained from lower order contributions. These relations are verified up to order $m\alpha^{6}$, and predictions are made for the order $m\alpha^{7}$ and $m\alpha^{8}$ corrections. This theory and its extensions to other hydrogenic systems may provide a useful complement to bound-state QED.
公開日:2021-09-06
翻訳日:2023-03-22 18:20:49
# 振幅減衰騒音に対する耐故障性の実現

Achieving fault tolerance against amplitude-damping noise ( http://arxiv.org/abs/2107.05485v3 )

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Akshaya Jayashankar, My Duy Hoang Long, Hui Khoon Ng, Prabha Mandayam(参考訳) 小型でノイズの多い量子コンピューティングデバイスへの強い関心から、より大きく、より正確な、そしてより有用な量子コンピュータが求められている。 完全にフォールトトレラントな量子コンピュータは、原則として、一般的なノイズを受けるデバイスを使って任意に正確な計算を実現することができるが、現在の到達範囲をはるかに超える膨大なリソースを必要とする。 中間段階は、低レベル、従って低コストでノイズ除去技術によって強化された限られた精度の量子コンピュータを構築することである。 これは、量子デバイスを悩ませる支配的なノイズを対象として、フォールトトレラントなエンコード量子計算を考察する我々の研究の動機である。 具体的には、4量子ビット符号とそのようなノイズに合わせた回復手順を用いて、振幅減衰ノイズの存在下でのフォールトトレラントな量子コンピューティングコンポーネントのプロトコルを開発する。 我々は,フォールトトレラント符号化ガジェットの普遍的な集合を記述し,ノイズに対する疑似スレッショルドを計算する。 本研究は,従来のパウリノイズモデルを超えた近年のバイアスノイズ耐性の追求を一般化し,目標雑音モデルに量子フォールトトレランスの考え方を適用する可能性を示す。 また、パウリノイズを考慮した標準的な耐故障性直観の特定の側面が、より一般的な騒音に直面していかに失敗するかを説明している。

With the intense interest in small, noisy quantum computing devices comes the push for larger, more accurate -- and hence more useful -- quantum computers. While fully fault-tolerant quantum computers are, in principle, capable of achieving arbitrarily accurate calculations using devices subjected to general noise, they require immense resources far beyond our current reach. An intermediate step would be to construct quantum computers of limited accuracy enhanced by lower-level, and hence lower-cost, noise-removal techniques. This is the motivation for our work, which looks into fault-tolerant encoded quantum computation targeted at the dominant noise afflicting the quantum device. Specifically, we develop a protocol for fault-tolerant encoded quantum computing components in the presence of amplitude-damping noise, using a 4-qubit code and a recovery procedure tailored to such noise. We describe a universal set of fault-tolerant encoded gadgets and compute the pseudothreshold for the noise, below which our scheme leads to more accurate computation. Our work demonstrates the possibility of applying the ideas of quantum fault tolerance to targeted noise models, generalizing the recent pursuit of biased-noise fault tolerance beyond the usual Pauli noise models. We also illustrate how certain aspects of the standard fault tolerance intuition, largely acquired through Pauli-noise considerations, can fail in the face of more general noise.
公開日:2022-03-14
翻訳日:2023-03-22 18:20:27
# インフレーションにおけるCSLモデル景観の啓蒙

Enlightening the CSL model landscape in inflation ( http://arxiv.org/abs/2107.05470v2 )

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Gabriel Le\'on, Gabriel R. Bengochea(参考訳) 本研究では, インフレーション時の原次不均一性の起源を考慮し, 連続自発局所化モデル(CSL)の自然な外挿の新たな実現法を提案する。 このモデルは3つの主要な要素に基づいています (i)半古典的な重力の枠組み (ii)エネルギー運動量テンソルの相対論的不変スカラーに付随する崩壊生成作用素、及び (iii)時空曲率の関数としてのCSLパラメータ(s)の拡張。 さらに、標準宇宙論的摂動理論を線形順序で適用し、モデルのパラメータ空間内で妥当な範囲で、最近の観測的CMBデータと一致するほぼスケールの不変パワースペクトルを得る。 これにより、宇宙論的な文脈にCSLモデルを適用するための様々な選択肢が広がり、おそらくはCSL理論の完全な共変バージョンを探すことに光を当てる。

We propose a novel realization for the natural extrapolation of the continuous spontaneous localization (CSL) model, in order to account for the origin of primordial inhomogeneities during inflation. This particular model is based on three main elements: (i) the semiclassical gravity framework, (ii) a collapse-generating operator associated to a relativistic invariant scalar of the energy-momentum tensor, and (iii) an extension of the CSL parameter(s) as a function of the spacetime curvature. Furthermore, employing standard cosmological perturbation theory at linear order, and for a reasonable range within the parameter space of the model, we obtain a nearly scale invariant power spectrum consistent with recent observational CMB data. This opens a vast landscape of different options for the application of the CSL model to the cosmological context, and possibly sheds light on searches for a full covariant version of the CSL theory.
公開日:2021-12-06
翻訳日:2023-03-22 18:20:04
# 非マルコフ雑音に対するランダム化ベンチマーク

Randomized benchmarking for non-Markovian noise ( http://arxiv.org/abs/2107.05403v2 )

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Pedro Figueroa-Romero, Kavan Modi, Thomas M. Stace, Min-Hsiu Hsieh(参考訳) ノイズの特徴を推定することは、いつかフォールトトレラントな量子コンピュータにつながる一連のプロトコルの最初のステップである。 ランダム化ベンチマーク(RB)プロトコルはこの正確な考え方で設計されており、実際に比較的容易な量子プロセッサにおけるノイズの平均強度を推定する。 しかし、RBは他のほとんどのベンチマークやキャラクタリゼーション手法と同様に、ノイズが時間的に非相関であると仮定する(マルコフアン)ため、スコープに制限がある。 ここでは、RBプロトコルと、非マルコフ量子現象を記述する最近のフレームワークを組み合わせることで、非マルコフ RB と クリフォード群に対する平均シーケンス忠実度 (ASF) の一般的な解析式を導出する。 RB実験において,これらの偏差,非マルコフメモリの時間スケール,非マルコフノイズの診断(内)コヒーレンスを総合的に推定する手法を提案することにより,ASFからの偏差により,非マルコフノイズの非マルコフノイズの特徴を同定できることが示されている。 最後に,いくつかの実例を用いて提案手法の有効性を示す。 我々の手法は直接実装可能であり、量子プロセッサの相関ノイズをよりよく理解するための経路を舗装する。

Estimating the features of noise is the first step in a chain of protocols that will someday lead to fault tolerant quantum computers. The randomized benchmarking (RB) protocol is designed with this exact mindset, estimating the average strength of noise in a quantum processor with relative ease in practice. However, RB, along with most other benchmarking and characterization methods, is limited in scope because it assumes that the noise is temporally uncorrelated (Markovian), which is increasingly evident not to be the case. Here, we combine the RB protocol with a recent framework describing non-Markovian quantum phenomena to derive a general analytical expression of the average sequence fidelity (ASF) for non-Markovian RB with the Clifford group. We show that one can identify non-Markovian features of the noise directly from the ASF through its deviations from the Markovian case, proposing a set of methods to collectively estimate these deviations, non-Markovian memory time-scales, and diagnose (in)coherence of non-Markovian noise in an RB experiment. Finally, we demonstrate the efficacy of our proposal by means of several proof-of-principle examples. Our methods are directly implementable and pave the pathway to better understanding correlated noise in quantum processors.
公開日:2021-12-14
翻訳日:2023-03-22 18:19:49