論文の概要: Multimode Bosonic State Tomography with Single-Shot Joint Parity Measurement of a Trapped Ion

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.12628v1
• Date: Sat, 14 Jun 2025 21:05:06 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-17 17:28:46.594619
• Title: Multimode Bosonic State Tomography with Single-Shot Joint Parity Measurement of a Trapped Ion
• Title（参考訳）: トリッピングイオンの単孔継手パリティ測定によるマルチモードボゾン状態トモグラフィ
• Authors: Honggi Jeon, Jiyong Kang, Wonhyeong Choi, Kyunghye Kim, Jaehun You, Taehyun Kim,
• Abstract要約: 捕捉されたイオンのフォノン状態のジョイントパリティの直接単発測定を用いて、連続可変量子状態の再構成を行う新しいスキームを実証する。 単発継手パリティ測定はパリティフリップ誤りをリアルタイムで検出できることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.8758525789991896
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The full characterization of a continuous-variable quantum system is a challenging problem. For the trapped-ion system, a number of methods of reconstructing the quantum states have been developed, including the measurement of the Q quasi-probability function and the density matrix elements in the Fock basis, but these approaches are often slow and difficult to scale to multi-mode states. Here, we demonstrate a novel and powerful scheme for reconstructing a continuous-variable quantum state that uses the direct single-shot measurement of the joint parity of the phonon states of a trapped ion. We drive a spin-dependent bichromatic beam-splitter interaction that coherently exchanges phonons between different harmonic oscillator modes of the ion. This interaction encodes the joint parity information into the relative phase between the two spin states, enabling measurement of the combined phonon-number parity across multiple modes in a single shot. Leveraging this capability, we directly measure multi-mode Wigner quasi-probability distributions to perform quantum state tomography of an entangled coherent state, and show that the generated state is non-positive under partial transpose, confirming its entanglement. We further show that the single-shot joint parity measurement can be used to detect parity-flip errors in real time. By post-selecting the parity measurement outcomes, we experimentally demonstrate the extension of the bosonic state lifetime, effectively implementing an error mitigation technique. Lastly, we identify the various sources of error affecting the fidelity of the spin-dependent beam-splitter operation and study the feasibility of high fidelity operations. The interaction studied in this work can be easily extended to more than two modes, and is highly relevant to continuous-variable quantum computing and quantum metrology.
• Abstract（参考訳）: 連続変数量子系の完全な特徴付けは難しい問題である。 閉じ込められたイオン系では、Q準確率関数とFock基底の密度行列要素の測定など、量子状態の再構成法が開発されているが、これらの手法はしばしば遅く、マルチモード状態に拡張することが困難である。 ここでは、捕捉されたイオンのフォノン状態のジョイントパリティの直接単発測定を用いた連続可変量子状態の再構成のための、新規で強力なスキームを実証する。 我々は、イオンの異なる調和振動子モード間でフォノンをコヒーレントに交換するスピン依存二色ビーム・スプリッター相互作用を駆動する。 この相互作用は、2つのスピン状態間の相対位相に結合パリティ情報を符号化し、1枚のショットで複数のモードにまたがる結合されたフォノン数パリティの測定を可能にする。 この能力を生かして、多モードウィグナー準確率分布を直接測定して、絡み合ったコヒーレント状態の量子状態トモグラフィを行い、生成した状態が部分的遷移の下で非正であることを示し、その絡み合いを確認する。 さらに, 単発継手パリティ測定により, パリティフリップ誤差をリアルタイムで検出できることを示す。 パリティ測定結果のポストセレクションにより、ボゾン状態寿命の延長を実験的に実証し、エラー軽減手法を効果的に実装した。 最後に、スピン依存ビームスプリッター動作の忠実度に影響を与える様々な誤差源を特定し、高忠実度動作の実現可能性について検討する。 この研究で研究された相互作用は、2つ以上のモードに容易に拡張することができ、連続変数の量子コンピューティングと量子メトロジーに非常に関係がある。

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