量子物理
[提交于 2024年9月5日
(v1)
,最后修订 2024年11月27日 (此版本, v2)]
标题: 通过密集双基直接测量密度矩阵
标题: Direct Measurement of Density Matrices via Dense Dual Bases
摘要: 高效理解量子系统根本上依赖于可观测量的选择。 泡利可观测量和相互无偏基(MUBs)在实践中被广泛使用,并通常被视为量子态层析成像(QST)的理论最优选择。 然而,泡利可观测量需要大量测量来进行全态层析成像,并且无法用固定数量的可观测量直接测量密度矩阵元素。 对于MUBs,所有维度中完整集合的\(d+1\)基的存在性仍未解决,突显了需要替代的可观测量。 在本工作中,我们引入了密集对偶基(DDB),一种新的\(2d\)可观测量集,专门设计用于完全表征任何\(d\)维量子态。 这些可观测量提供了两个关键优势。 首先,它们无需辅助系统即可直接测量密度矩阵元素,仅使用三个选定的可观测量即可提取任何元素。 其次,对于未知的秩为\(r\)的密度矩阵——除了一个可以忽略的子集之外——可以使用\(O(r \log d)\)个可观测量实现QST,显著提高了测量效率。 至于电路实现,每个可观测量是迭代生成的,并且可以高效地分解为\(O(n^4)\)个基本门,用于\(n\)量子比特系统。 这些进展使DDB成为传统方法的实用且可扩展的替代方案,为提高量子系统表征的效率和可扩展性提供了有前景的机会。
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