論文の概要: Unified Framework for Direct Characterization of Kraus Operators, Observables, Density Matrices, and Weak Values Without Weak Interaction

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.07789v1
• Date: Wed, 08 Oct 2025 17:40:07 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-10 17:54:14.873865
• Title: Unified Framework for Direct Characterization of Kraus Operators, Observables, Density Matrices, and Weak Values Without Weak Interaction
• Title（参考訳）: 弱相互作用のないクラウス演算子,観測可能値,密度行列および弱値の直接的評価のための統一フレームワーク
• Authors: Sahil, Sohail,
• Abstract要約: 一般化された量子測定は、オープン量子系における現実的なプロセスのモデリングに不可欠である。 量子プロセストモグラフィーはPOVMを完全に特徴付けることができるが、特定のPOVM要素だけが興味を持つ場合、リソース集約的で実用的ではない。 直接量子計測トモグラフィーはより効率的な代替手段を提供するが、通常はシステムの弱い相互作用と複雑な構造に依存している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.007186737422124123
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Generalized quantum measurements, described by positive operator-valued measures (POVMs), are essential for modeling realistic processes in open quantum systems. While quantum process tomography can fully characterize a POVM, it is resource-intensive and impractical when only specific POVM elements or matrix elements of a particular POVM element are of interest. Direct quantum measurement tomography offers a more efficient alternative but typically relies on weak interactions and complex structures of the system, environment, and probe as the dimension of the system increases, limiting its precision and scalability. Furthermore, characterizing a POVM element alone is insufficient to determine the underlying physical mechanism, as multiple Kraus operators can yield the same measurement statistics. In this work, we present a unified framework for the direct characterization of individual matrix elements of Kraus operators associated with specific POVM elements and arbitrary input states without requiring weak interaction, complex structures of the system-environment-probe or full process and state tomography. This framework naturally extends to projective measurements, enabling direct observable tomography, and to the characterization of unitary operations. Our method also captures modular and weak values of observables and Kraus operators, without invoking weak interaction approximations. We demonstrate potential implementations in optical systems, highlighting the experimental feasibility of our approach.
• Abstract（参考訳）: 正の演算子値測度(POVM)によって説明される一般化量子測定は、オープン量子系における現実的なプロセスのモデル化に不可欠である。 量子プロセストモグラフィーはPOVMを完全に特徴付けることができるが、特定のPOVM要素や特定のPOVM要素の行列要素だけが興味を持つ場合、リソース集約的で実用的ではない。 直接量子計測トモグラフィーは、より効率的な代替手段を提供するが、通常はシステム、環境、プローブの弱い相互作用と複雑な構造に依存し、その精度とスケーラビリティを制限している。 さらに、複数のクラウス作用素が同じ測定統計値を得ることができるため、POVM 要素のみを特徴付けることは、基礎となる物理的メカニズムを決定するには不十分である。 本研究では,特定のPOVM要素や任意の入力状態に関連付けられたクラウス作用素の個々の行列要素を,弱い相互作用を必要とせず,システム環境プローブやフルプロセス,状態トモグラフィといった複雑な構造を必要とすることなく,直接評価するための統一的なフレームワークを提案する。 このフレームワークは自然に射影測定に拡張され、直接観測可能なトモグラフィーが可能となり、ユニタリ演算のキャラクタリゼーションも可能となった。 また,観測変数とクラウス作用素のモジュラーおよび弱値を,弱い相互作用近似を起こさずに取得する。 我々は,光学系における実装の可能性を示し,本手法の実験的実現可能性を強調した。

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