論文の概要: Ensemble Engineering to Overcome Destructive Cancellation in Quantum Measurements

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.03729v1
• Date: Tue, 05 May 2026 13:15:33 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-06 19:35:43.944584
• Title: Ensemble Engineering to Overcome Destructive Cancellation in Quantum Measurements
• Title（参考訳）: 量子計測における破壊的キャンセラ化を克服するためのアンサンブルエンジニアリング
• Authors: Myeongsu Kim, Manas Sajjan, Sabre Kais,
• Abstract要約: ほぼ均一なアンサンブルは、物理的に関係のある信号を効果的に解けないものにすることができる。 この制限は単に統計的なものではなく、アンサンブル重みと測定された相関器の演算子に依存した符号構造との間の構造的ミスマッチを反映している。 本稿では,この効果を量子アンサンブル工学を用いて緩和するための一般的な枠組みを紹介し,サンプリング分布を準備された量子状態に直接符号化する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: On noisy intermediate-scale quantum (NISQ) devices, expectation values of many observables are obtained through sampling-based approximations to trace-like quantities. A central limitation of this approach is destructive cancellation under near-uniform ensembles, which can render physically relevant signals effectively unresolvable. Here we show that this limitation is not simply statistical, but reflects a structural mismatch between ensemble weights and the operator-dependent sign structure of the measured correlator. We introduce a general framework for mitigating this effect through quantum ensemble engineering, in which the sampling distribution is encoded directly in the prepared quantum state. By reformulating correlators in a basis-resolved representation, we make the origin of cancellation explicit and derive strategies for aligning ensemble weights with operator structure. We realize this approach using two complementary circuit constructions: a Grover-type amplitude amplification protocol that provides a structure-aligned benchmark, and an oracle-free shallow circuit designed for near-term hardware constraints. Using the infinite-temperature correlation function as a representative setting, we demonstrate on IBM quantum processors with up to 20 qubits that engineered ensembles expose operator-resolved contributions that are strongly suppressed under uniform averaging. We identify a practical tradeoff between amplification strength and noise robustness, extend the framework to multi-qubit diagonal observables, and outline a path toward non-diagonal generalizations. These results position ensemble engineering as a new tool for improving measurement efficiency in near-term quantum algorithms.
• Abstract（参考訳）: ノイズの多い中間スケール量子 (NISQ) デバイスでは、多くの観測値の期待値は、トレースのような量へのサンプリングベースの近似によって得られる。 このアプローチの中心的な制限は、ほぼ一様アンサンブルの下で破壊的なキャンセルであり、物理的に関連する信号を効果的に解けないものにすることができる。 ここでは、この制限は単に統計的なものではなく、アンサンブル重みと測定された相関器の演算子に依存した符号構造との間の構造的ミスマッチを反映していることを示す。 本稿では,この効果を量子アンサンブル工学を用いて緩和するための一般的な枠組みを紹介し,サンプリング分布を準備された量子状態に直接符号化する。 コーレレータを基底分解表現で再構成することにより、アンサンブル重みを演算子構造に整合させるためのキャンセル的および導出的戦略の原点を導出する。 本手法は,Grover型振幅増幅プロトコルと,短期ハードウェア制約を考慮に入れたオラクルフリー浅部回路の2つの補完回路構成を用いて実現した。 無限温度相関関数を代表的設定として、最大20量子ビットのIBM量子プロセッサ上で、アンサンブルを設計し、一様平均化の下で強く抑制される演算子解決コントリビューションを公開する。 増幅強度と雑音の頑健さの実践的なトレードオフを特定し,その枠組みを多軸対角観測値に拡張し,非対角一般化への道筋を概説する。 これらの結果は、短期量子アルゴリズムにおける測定効率を向上させるための新しいツールとして、アンサンブルエンジニアリングを位置づけている。

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