量子物理
[提交于 2025年3月6日
]
标题: 梯度下降方法用于快速量子态层析成像
标题: Gradient-descent methods for fast quantum state tomography
摘要: 量子态层析成像(QST)是一种广泛用于表征量子系统状态的技术。 然而,它面临着两个基本挑战:随着量子比特数量的增加,计算和实验复杂度呈指数增长,即使对于中等规模的系统,实验实施和数据后处理也变得困难。 在此,我们引入了用于离散和连续变量系统中QST后处理步骤的梯度下降(GD)算法。 为了在算法的每个迭代步骤中确保物理上有效的状态重构,我们使用了各种密度矩阵参数化方法:Cholesky分解、Stiefel流形和投影归一化。 这些参数化方法还具有额外的好处,即能够实现受控秩的假设,当存在关于系统的先验信息时,这可以简化重构过程。 我们将我们的GD-QST技术与最先进的方法进行了基准测试,包括约束凸优化、条件生成对抗网络和迭代最大似然估计。 我们的比较重点在于时间复杂度、迭代次数、数据需求、状态秩和对噪声的鲁棒性。 我们发现,在随机小批量GD-QST算法中的受控秩假设能够有效处理噪声和不完整数据集,其重构保真度显著高于其他方法。 在标准笔记本电脑上实现全秩七量子比特QST,仅需不到三分钟,配备18 GB内存且无专用GPU,表明GD-QST在计算上更高效,并在大多数情况下优于其他技术,为表征噪声中等规模量子设备提供了一条有前景的途径。 我们用于GD-QST算法的Python代码可在https://github.com/mstorresh/GD-QST公开获取。
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