論文の概要: Optimal protocols for quantum metrology with noisy measurements

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2210.11393v3
• Date: Wed, 11 Oct 2023 02:01:08 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-10-14 03:10:45.285921
• Title: Optimal protocols for quantum metrology with noisy measurements
• Title（参考訳）: 雑音測定による量子力学の最適プロトコル
• Authors: Sisi Zhou, Spyridon Michalakis, Tuvia Gefen
• Abstract要約: 本研究では、量子前処理最適化パラメータが、測定ノイズ下での量子センサの最終的な精度限界を決定することを示す。 雑音のある量子状態や温度測定への応用、および最適制御の明示的な回路構成を示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Measurement noise is a major source of noise in quantum metrology. Here, we explore preprocessing protocols that apply quantum controls to the quantum sensor state prior to the final noisy measurement (but after the unknown parameter has been imparted), aiming to maximize the estimation precision. We define the quantum preprocessing-optimized Fisher information, which determines the ultimate precision limit for quantum sensors under measurement noise, and conduct a thorough investigation into optimal preprocessing protocols. First, we formulate the preprocessing optimization problem as a biconvex optimization using the error observable formalism, based on which we prove that unitary controls are optimal for pure states and derive analytical solutions of the optimal controls in several practically relevant cases. Then we prove that for classically mixed states (whose eigenvalues encode the unknown parameter) under commuting-operator measurements, coarse-graining controls are optimal, while unitary controls are suboptimal in certain cases. Finally, we demonstrate that in multi-probe systems where noisy measurements act independently on each probe, the noiseless precision limit can be asymptotically recovered using global controls for a wide range of quantum states and measurements. Applications to noisy Ramsey interferometry and thermometry are presented, as well as explicit circuit constructions of optimal controls.
• Abstract（参考訳）: 測定ノイズは量子力学における主要なノイズ源である。 本稿では,量子センサ状態に対して量子制御を適用する前処理プロトコルについて検討し,推定精度を最大化することを目的とした。 測定ノイズ下での量子センサの最終的な精度限界を決定する量子前処理最適化フィッシャー情報を定義し、最適な前処理プロトコルを徹底的に検討する。 まず, 単項制御が純粋状態に対して最適であることを証明し, いくつかの実用的ケースにおいて最適制御の解析解を導出する誤差可観測形式論を用いて, 両凸最適化として前処理最適化問題を定式化する。 そして,従来の混合状態(固有値が未知パラメータを符号化する)に対して,粗粒度制御が最適であり,ユニタリ制御が最適であることを示す。 最後に、ノイズ測定が各プローブに独立に作用するマルチプローブシステムでは、幅広い量子状態と測定のための大域制御を用いてノイズのない精度限界を漸近的に回復できることを実証する。 ラムゼイ干渉法と温度測定への応用や最適制御の明示的な回路構成について述べる。

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