論文の概要: Noise-Canceling Quantum Feedback: non-Hermitian Dynamics with Applications to State Preparation and Magic State Distillation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.05611v1
• Date: Tue, 08 Jul 2025 02:43:32 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-09 16:34:37.532271
• Title: Noise-Canceling Quantum Feedback: non-Hermitian Dynamics with Applications to State Preparation and Magic State Distillation
• Title（参考訳）: ノイズキャンセリング量子フィードバック:非エルミタンダイナミクスと状態調製とマジック状態蒸留への応用
• Authors: Tathagata Karmakar, Philippe Lewalle, Yipei Zhang, K. Birgitta Whaley,
• Abstract要約: 時間連続量子測定は、短時間かつ個人的に弱い測定間隔のシーケンスを通じて、量子システムのリアルタイムな追跡を可能にする。 拡散量子軌道を考察し,フィードバックプロトコルの「ノイズキャンセリング」部分集合に着目した。 このようなフィードバック操作のクラスを導出し、純粋状態の理想的な仮定、単位測定効率、フィードバック操作の実行時の時間遅延がゼロであることを示し、完全なノイズキャンセリングフィードバックが常に存在することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6749750044497732
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Time-continuous quantum measurement allows for the tracking of a quantum system in real time via sequences of short, and individually weak, measurement intervals. Such measurements are necessarily invasive, imparting backaction to the system, and allowing the observer to update their state estimate based on stochastic measurement outcomes. Feedback control then involves real-time interventions by an observer, conditioned on the time-continuous measurement signal that they receive. We here consider diffusive quantum trajectories, and focus on the "noise-canceling" subset of feedback protocols that aim to minimize the degree of stochasticity in the dynamics. We derive such a class of feedback operations, showing that under the idealized assumptions of pure states, unit measurement efficiency, and zero time-delay in implementing feedback operations, perfectly noise-canceling feedback always exists. We consider the resulting noise-canceled dynamics generated by an effective non-Hermitian Hamiltonian; while non-Hermitian Hamiltonians from continuous monitoring generally describe rare dynamics (accessible by costly post-selection), the use of noise-canceling feedback here leads to non-Hermitian dynamics that occur deterministically. We demonstrate this via examples of entangled state preparation and stabilization. We then illustrate the potential for the application of noise-cancellation to boost success rates in magic state distillation protocols. We show that adding feedback based on noise-cancellation into a time-continuous 5-to-1 distillation protocol leads to higher probabilities of successful distillation across a range of input errors, and extends the threshold on input errors for which the protocol is effective. Our results highlight the efficacy of noise-canceling feedback-aided protocols for quantum state preparation and stabilization tasks.
• Abstract（参考訳）: 時間連続量子測定は、短時間かつ個人的に弱い測定間隔のシーケンスを通じて、量子システムのリアルタイムな追跡を可能にする。 このような測定は必ずしも侵襲的であり、システムにバックアクションを与え、確率的測定結果に基づいて状態推定を更新することができる。 フィードバック制御は、受信した時間連続測定信号に基づいて、オブザーバーがリアルタイムに介入する。 ここでは、拡散量子軌道を考察し、ダイナミックスにおける確率性の程度を最小化することを目的としたフィードバックプロトコルの「ノイズキャンセリング」サブセットに焦点を当てる。 このようなフィードバック操作のクラスを導出し、純粋状態の理想的な仮定、単位測定効率、フィードバック操作の実行時の時間遅延がゼロであることを示し、完全なノイズキャンセリングフィードバックが常に存在することを示す。 実効性非エルミート・ハミルトニアン(英語版)が生み出すノイズキャンセリング力学について考察する; 連続監視の非エルミート・ハミルトニアン(英語版)は一般にレア・ダイナミクス(コストのかかるポストセレクションによりアクセス可能)を記述しているが、ここでのノイズキャンセリングフィードバックの使用は決定論的に発生する非エルミート・ダイナミクス(英語版)をもたらす。 我々は、絡み合った状態の準備と安定化の例を通してこれを実証する。 次に, マジック状態蒸留プロトコルの成功率を高めるため, ノイズキャンセラレーションの適用の可能性について述べる。 連続した5-to-1の蒸留プロトコルにノイズキャンセラレーションに基づくフィードバックを加えることで、様々な入力エラーに対して蒸留を成功させる確率が高くなり、このプロトコルが有効である入力エラーに対するしきい値が拡張されることを示す。 本研究は,ノイズキャンセリングフィードバック支援プロトコルの量子状態準備および安定化作業における有効性を強調した。

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