論文の概要: Higher-order Process Matrix Tomography of a passively-stable Quantum SWITCH

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2305.19386v2
• Date: Wed, 2 Aug 2023 13:10:04 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-08-07 15:42:35.877590
• Title: Higher-order Process Matrix Tomography of a passively-stable Quantum SWITCH
• Title（参考訳）: 受動安定量子SWITCHの高次プロセスマトリックストモグラフィ
• Authors: Michael Antesberger, Marco T\'ulio Quintino, Philip Walther, Lee A. Rozema
• Abstract要約: 量子SWITCHは高次量子演算の例である。 より高次の量子演算は完全に実験的に特徴づけられていない。 我々は、能動光学素子を用いて、受動的に安定な新しい量子SWITCHを作成し、時間ビン符号化量子ビットを決定論的に生成し、操作する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The field of indefinite causal order (ICO) has seen a recent surge in interest. Much of this research has focused on the quantum SWITCH, wherein multiple parties act in a superposition of different orders in a manner transcending the quantum circuit model. This results in a new resource for quantum protocols, and is exciting for its relation to issues in foundational physics. The quantum SWITCH is also an example of a higher-order quantum operation, in that it not only transforms quantum states, but also other quantum operations. To date, no higher-order quantum operation has been completely experimentally characterized. Indeed, past work on the quantum SWITCH has confirmed its ICO by measuring causal witnesses or demonstrating resource advantages, but the complete process matrix has only been described theoretically. Here, we perform higher-order quantum process tomography. However, doing so requires exponentially many measurements with a scaling worse than standard process tomography. We overcome this challenge by creating a new passively-stable fiber-based quantum SWITCH using active optical elements to deterministically generate and manipulate time-bin encoded qubits. Moreover, our new architecture for the quantum SWITCH can be readily scaled to multiple parties. By reconstructing the process matrix, we estimate its fidelity and tailor different causal witnesses directly for our experiment. To achieve this, we measure a set of tomographically complete settings, that also spans the input operation space. Our tomography protocol allows for the characterization and debugging of higher-order quantum operations with and without an ICO, while our experimental time-bin techniques could enable the creation of a new realm of higher-order quantum operations with an ICO.
• Abstract（参考訳）: 不確定因果順序(ICO)の分野は近年注目されている。 この研究の多くは、量子回路モデルを超越した方法で、複数のパーティが異なる順序の重ね合わせで作用する量子SWITCHに焦点を当てている。 これにより量子プロトコルの新しいリソースが生まれ、基礎物理学の問題との関連性に興奮する。 量子スイッチは、量子状態を変換するだけでなく、他の量子演算も変換する、高階量子演算の例でもある。 これまで、高次量子演算は完全に実験的に特徴づけられていない。 実際、量子SWITCHに関する過去の研究は、因果的証人を測定するか、資源の利点を示すことによってICOを確認したが、完全なプロセス行列は理論上のみ記述されている。 ここでは,高次量子プロセストモグラフィーを行う。 しかし、それを行うには、標準的なプロセストモグラフィーよりも低いスケーリングで指数関数的に多くの測定が必要となる。 我々は、能動光学素子を用いた新しい受動安定ファイバーベースの量子SWITCHを作成し、時間ビン符号化量子ビットを決定論的に生成・操作することで、この課題を克服する。 さらに、量子SWITCHのための新しいアーキテクチャは、容易に複数のパーティに拡張できる。 プロセスマトリックスを再構築することにより、その忠実度を推定し、実験のために直接異なる因果証を調整する。 これを実現するために、入力操作空間にまたがるトモグラフィ的に完全な設定のセットを測定する。 我々のトモグラフィープロトコルは、ICOを用いた高階量子演算のキャラクタリゼーションとデバッギングを可能にし、実験時間ビン技術はICOによる高階量子演算の新しい領域の作成を可能にする。

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