論文の概要: Can randomly structured metasurfaces be used for quantum tomography of high-dimensional spatial qudits?
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.08597v1
- Date: Tue, 12 Aug 2025 03:21:53 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-13 21:07:34.286015
- Title: Can randomly structured metasurfaces be used for quantum tomography of high-dimensional spatial qudits?
- Title（参考訳）: 高次元空間クイディットの量子トモグラフィーにランダムに構造化された準曲面を使用できるか?
- Authors: Yuming Niu, Kai Wang,
- Abstract要約: 光子の量子状態の密度行列を再構成することは、ほとんど全ての量子科学と技術の応用において重要な課題である。
近年の光学メタ曲面の進歩により、このような状態トモグラフィータスクを行う超薄膜ナノ光学素子の設計が可能となった。
我々は,検出器数に十分な冗長性を持つことで,Hermite-Gaussian状態に符号化された量子フォトニック空間カウディトトモグラフィーにおいて,ランダムな準曲面が合理的に動作することを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.090570781942863
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Reconstructing the density matrix of the quantum state of photons through a tomographically complete set of measurements, known as quantum state tomography, is an essential task in nearly all applications of quantum science and technology, from quantum sensing to quantum communications. Recent advances in optical metasurfaces enable the design of ultra-thin nanostructured optical elements performing such state tomography tasks, promising greater simplicity, miniaturization, and scalability. However, reported metasurfaces on this goal were limited to a small Hilbert dimension, e.g., polarization qubits or spatial qudits with only a few states. When scaling up to higher-dimensional qudit tomography problems, especially those involving spatial qudits, a natural question arises: whether a metasurface with randomized nanostructures is sufficient to perform such qudit tomography, achieving optimal conditions. In this work, we attempt to answer this question through a set of numerical experiments with random metasurfaces, utilizing large-scale simulations of over 11,000 distinct metasurfaces each exceeding 200 wavelengths in size. We show that with sufficient redundancy in the number of detectors, random metasurfaces perform reasonably well in quantum photonic spatial qudit tomography encoded in Hermite-Gaussian states for up to approximately 10 states. Furthermore, we discuss additional considerations for optimizing metasurfaces in multi-photon cases. Our work opens a pathway toward computationally efficient, miniaturized, and error-tolerant quantum measurement platforms.
- Abstract（参考訳）: 量子状態トモグラフィー(quantum state tomography)として知られる、トモグラフィー的に完全な測定によって光子の量子状態の密度行列を再構成することは、量子センシングから量子通信まで、ほとんど全ての量子科学と技術の応用において必須の課題である。
近年の光学メタ曲面の進歩により、このような状態トモグラフィータスクを行う超薄ナノ構造光学素子の設計が可能となり、よりシンプルで小型化され、スケーラビリティが期待できる。
しかし、この目標の報告された準曲面は、少数の状態を持つ小さなヒルベルト次元、例えば偏光量子ビットまたは空間量子ビットに限られていた。
高次元のキュウディトモグラフィー問題、特に空間的クイディットの問題にスケールアップする場合、ランダム化されたナノ構造を持つ準曲面がそのようなキュウディトモグラフィーを実行するのに十分であるかどうかという自然な疑問が生じる。
本研究では,200波長を超える11,000以上の異なる準曲面の大規模シミュレーションを用いて,ランダムな準曲面を用いた数値実験を行った。
我々は,検出器数に十分な冗長性を持つランダムな準曲面が,エルマイト・ガウス状態で符号化された量子フォトニック空間カウディトトモグラフィーにおいて,最大10個の状態において合理的に動作することを示す。
さらに,多光子症例における準曲面の最適化について考察する。
我々の研究は、計算効率、小型化、およびエラー耐性量子計測プラットフォームへの道を開く。
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