論文の概要: Efficient quantum state tomography with auxiliary systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.16532v1
- Date: Tue, 22 Jul 2025 12:40:14 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-23 21:34:14.111458
- Title: Efficient quantum state tomography with auxiliary systems
- Title（参考訳）: 補助システムを用いた効率的な量子状態トモグラフィ
- Authors: Wenlong Zhao, Da Zhang, Huili Zhang, Haifeng Yu, Zhang-qi Yin,
- Abstract要約: 量子状態トモグラフィ(quantum state tomography)は、未知の量子状態の密度行列を再構成するために用いられる量子情報科学の技法である。
量子システムのサイズが大きくなるにつれて、量子状態トモグラフィーの測定設定とサンプリング要求の数は、量子ビットの数とともに指数関数的に増加する。
本研究は, 測定条件の低減とサンプリング効率の向上を図るため, 補助システムに基づく状態トモグラフィー手法を提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.577276175518491
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum state tomography is a technique in quantum information science used to reconstruct the density matrix of an unknown quantum state, providing complete information about the quantum state. It is of significant importance in fields such as quantum computation, quantum communication, and quantum simulation. However, as the size of the quantum system increases, the number of measurement settings and sampling requirements for quantum state tomography grow exponentially with the number of qubits. This not only makes experimental design and implementation more complex, but also exacerbates the consumption of experimental resources. These limitations severely hinder the application of state tomography in large-scale quantum systems. To reduce measurement settings and improve sampling efficiency, this study proposes a state tomography method based on auxiliary systems. This method can be implemented through either entanglement between the quantum system to be measured and a quantum auxiliary system or through correlation between the quantum system and a probabilistic classical auxiliary system. Measurements on the entire joint system enable more efficient extraction of information about the quantum state to be measured. This method relies on standard quantum gate operations and requires only two measurement settings, with a total sampling complexity of $O(d^2)$, significantly simplifying experimental operations and measurement processes. Additionally, this study provides two schemes for measuring purity based on the proposed circuit, one of which achieves measurement precision at the Heisenberg limit. This study validates the effectiveness of the proposed method through a detailed theoretical analysis, a series of numerical simulations, and experiments.
- Abstract（参考訳）: 量子状態トモグラフィ(quantum state tomography)は、未知の量子状態の密度行列を再構成し、量子状態に関する完全な情報を提供するために用いられる量子情報科学の技法である。
量子計算、量子通信、量子シミュレーションなどの分野において重要な意味を持つ。
しかし、量子システムのサイズが大きくなるにつれて、量子状態トモグラフィーの測定設定やサンプリング要求の数は、量子ビットの数とともに指数関数的に増加する。
これは、実験的な設計と実装をより複雑にするだけでなく、実験的な資源の消費を悪化させる。
これらの制限は、大規模量子システムにおける状態トモグラフィーの適用を著しく妨げている。
本研究は, 測定設定の低減とサンプリング効率の向上を目的として, 補助システムに基づく状態トモグラフィー手法を提案する。
この方法は、測定対象の量子系と量子補助系との間の絡み合い、あるいは量子系と確率論的古典的補助系の間の相関によって実装することができる。
ジョイントシステム全体の測定により、測定対象の量子状態に関する情報をより効率的に抽出することができる。
この方法は、標準的な量子ゲート演算に依存しており、2つの測定設定しか必要とせず、合計サンプリング複雑性は$O(d^2)$であり、実験操作と測定プロセスを著しく単純化する。
さらに,提案回路に基づいて純度を測定するための2つの手法を提案し,その1つはハイゼンベルク限界における測定精度を実現する。
本研究は, 詳細な理論的解析, 一連の数値シミュレーション, 実験を通じて, 提案手法の有効性を検証する。
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