(а) Двухкубитная квантовая перекрывающаяся томография (QOT) крупномасштабной системы. Вся система разделена на две группы, красную и синюю, в разных стратегиях. Для каждой стратегии разделения две группы измеряются на разной основе. 
(b) Стратегия деления QOT для случая n=4, k=2. 
Кредит: Ян и др.

Квантовая томография — это процесс, включающий реконструкцию и характеристику квантового состояния с использованием серии собранных измерений. За последние несколько лет многие физики пытались использовать этот процесс, чтобы узнать больше о квантовых состояниях, поскольку это также может способствовать развитию квантовых технологий.

Исследователи из Наньянского технологического университета в Сингапуре недавно продемонстрировали в экспериментальных условиях квантовую томографию с перекрытием (QOT), подтип квантовой томографии, которая еще недавно была чисто теоретической конструкцией. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может дать информацию для будущих исследований в области квантовой физики, предложив новый эффективный инструмент для изучения этих систем.

«Мы экспериментально реализуем QOT с линейной оптической системой и демонстрируем ее преимущества по сравнению с широко распространенной томографией полного состояния», — сказал Phys.org Чжэннин Ян, один из исследователей, проводивших исследование. «QOT — это метод реконструкции подсистем неизвестного квантового состояния многих тел с небольшим набором данных, который был впервые теоретически предложен Джорданом Котлером и Фрэнком Уилчеком в Стэнфорде и Массачусетском технологическом институте».

Недавняя работа Янга и его коллег основана на исследовании Котлера и Вилчека 2020 года, которые предположили, что неизвестное запутанное состояние можно полностью охарактеризовать, используя серию однокубитных измерений с помощью процесса, который они назвали QOT. Команда Наньянского технологического университета хотела проверить эту теоретическую идею в экспериментальных условиях.

Схема экспериментальной установки для создания четырехфотонной запутанности с детекторами, пронумерованными по порядку. 
Кредит: Ян и др.

«Мы построили оптическую платформу для воспроизведения квантового состояния 4/6 кубитов, переносимого одиночными фотонными кубитами», — пояснил Ян. «Затем копии состояний измеряются в полном наборе квантовых базисов. Затем мы использовали набор данных измерений для статистической оценки исходного квантового состояния двумя разными методами, томографией полного состояния (FST) и QOT, чтобы сравнить, насколько хорошо они работают."

Эксперименты исследователей дали очень многообещающие результаты, поскольку они предположили, что QOT является более надежным методом для характеристики квантовых состояний, чем FST, обычный процесс квантовой томографии, используемый для характеристики интегральных квантовых состояний. Кроме того, QOT может точно характеризовать квантовые состояния, используя значительно меньше измерений.

«Мы обнаружили, что QOT может давать значительно более точные результаты, чем FST, при том же числе измерений без внесения очевидных систематических ошибок», — сказал Ян.

Выводы, полученные Янгом и его коллегами, подчеркивают большой потенциал QOT для изучения квантовых состояний. Таким образом, в будущем они могли бы поощрять использование этого метода характеристики квантового состояния как в исследованиях, так и в промышленных условиях, например, помогая в разработке более совершенных квантовых компьютеров или других квантовых технологий.

«Проходя все работы над QOT, мы обнаруживаем, что «перекрытие» — это мощный инструмент для эффективного извлечения информации из квантового состояния », — добавил Ян. «Таким образом, теперь мы планируем выяснить, насколько хорош он для оценки всей системы, а не только ее подсистем. Мы надеемся, что это будет самый эффективный протокол квантовой томографии, применимый для большинства систем».