論文の概要: Experimental single-setting quantum state tomography
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2206.00019v1
- Date: Tue, 31 May 2022 18:00:04 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-11 03:51:48.094375
- Title: Experimental single-setting quantum state tomography
- Title（参考訳）: 単一設定量子状態トモグラフィ実験
- Authors: Roman Stricker, Michael Meth, Lukas Postler, Claire Edmunds, Chris
Ferrie, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Thomas Monz, Richard Kueng and
Martin Ringbauer
- Abstract要約: 量子コンピュータは、着実に成長するシステムサイズを使って、より複雑なタスクを解決します。
金標準は量子状態トモグラフィ(QST)であり、事前の知識なしに量子状態を完全に再構築することができる。
単一の測定設定を使用するスケーラブルで実用的なQSTアプローチを実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.510118175122992
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum computers solve ever more complex tasks using steadily growing system
sizes. Characterizing these quantum systems is vital, yet becoming increasingly
challenging. The gold-standard is quantum state tomography (QST), capable of
fully reconstructing a quantum state without prior knowledge. Measurement and
classical computing costs, however, increase exponentially in the system size -
a bottleneck given the scale of existing and near-term quantum devices. Here,
we demonstrate a scalable and practical QST approach that uses a single
measurement setting, namely symmetric informationally complete (SIC) positive
operator-valued measures (POVM). We implement these nonorthogonal measurements
on an ion trap device by utilizing more energy levels in each ion - without
ancilla qubits. More precisely, we locally map the SIC POVM to orthogonal
states embedded in a higher-dimensional system, which we read out using
repeated in-sequence detections, providing full tomographic information in
every shot. Combining this SIC tomography with the recently developed
randomized measurement toolbox ("classical shadows") proves to be a powerful
combination. SIC tomography alleviates the need for choosing measurement
settings at random ("derandomization"), while classical shadows enable the
estimation of arbitrary polynomial functions of the density matrix orders of
magnitudes faster than standard methods. The latter enables in-depth
entanglement studies, which we experimentally showcase on a 5-qubit absolutely
maximally entangled (AME) state. Moreover, the fact that the full tomography
information is available in every shot enables online QST in real time. We
demonstrate this on an 8-qubit entangled state, as well as for fast state
identification. All in all, these features single out SIC-based classical
shadow estimation as a highly scalable and convenient tool for quantum state
characterization.
- Abstract（参考訳）: 量子コンピュータは、着実に増加するシステムサイズを使って、より複雑なタスクを解決します。
これらの量子システムを特徴づけることは不可欠だが、ますます困難になりつつある。
金標準は量子状態トモグラフィ(QST)であり、事前の知識なしに量子状態を完全に再構築することができる。
しかし、既存の量子デバイスと近未来の量子デバイスの規模を考えると、測定と古典的な計算コストはシステム規模で指数関数的に増加する。
ここでは、単一の測定設定、すなわち対称情報完全(SIC)正の演算子評価尺度(POVM)を用いるスケーラブルで実用的なQST手法を示す。
我々は,これらの非直交測定をイオントラップ装置に実装し,アンシラキュービットを使わずに各イオンのエネルギーレベルを増加させる。
より正確には、SIC POVMを高次元システムに埋め込まれた直交状態に局所的にマッピングし、反復的なインシーケンス検出を用いて読み出し、ショット毎に完全なトモグラフィー情報を提供する。
このSICトモグラフィーと最近開発されたランダム化測定ツールボックス(古典的な影)を組み合わせることで、強力な組み合わせであることが証明された。
sicトモグラフィーはランダム(デランドミゼーション)で測定設定を選択する必要性を緩和する一方、古典的な影は標準的な方法よりも早く密度行列の任意の多項式関数の推定を可能にする。
後者は, 5-qubit の絶対最大絡み合い状態(AME)に実験的に示す, 奥行きの絡み合いの研究を可能にする。
さらに、全トモグラフィー情報が全ショットで利用可能であるという事実は、オンラインQSTをリアルタイムで実現している。
これを8量子ビットの絡み合った状態と高速状態の識別で実証する。
全体として、これらの特徴はsicベースの古典的なシャドウ推定を、量子状態キャラクタリゼーションのための高度にスケーラブルで便利なツールとして提供する。
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