KR102591035B1 - Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof - Google Patents

Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102591035B1
KR102591035B1 KR1020200160381A KR20200160381A KR102591035B1 KR 102591035 B1 KR102591035 B1 KR 102591035B1 KR 1020200160381 A KR1020200160381 A KR 1020200160381A KR 20200160381 A KR20200160381 A KR 20200160381A KR 102591035 B1 KR102591035 B1 KR 102591035B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
quantum
state
tomography
channel
switch
Prior art date
Application number
KR1020200160381A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220072594A (en
Inventor
신현동
라마다니 샤리
무하마드 아사드 울라
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Priority to KR1020200160381A priority Critical patent/KR102591035B1/en
Publication of KR20220072594A publication Critical patent/KR20220072594A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102591035B1 publication Critical patent/KR102591035B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/70Quantum error correction, detection or prevention, e.g. surface codes or magic state distillation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치부와, 양자 스위치부에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부와 단층 촬영부의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다.A tomography device according to an embodiment of the present invention includes a quantum switch unit that is controlled by a control qubit and receives a quantum state to be estimated, a tomography unit that performs quantum state tomography on the state output from the quantum switch unit, and It includes an estimation unit that estimates the initial state based on the output of the tomography unit and algebra, and quantum state imaging can be performed even in the maximum noise channel.

Description

최대 잡음 디폴라라이징 양자 채널에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 방법 및 그 장치{METHOD OF PERFORMING QUANTUM STATE TOMOGRAPHY IN MAXIMALLY NOISY QUANTUM DEPOLARIZING CHANNEL AND APPARATUS THEREOF}Method and apparatus for performing quantum state tomography in a maximally noisy QUANTUM DEPOLARIZING CHANNEL AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 양자 스위치 기반의 양자 단층 촬영 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자 스위치를 이용함으로써 최대 잡음 탈분극 채널에서도 양자 상태를 정확히 추정하는 양자 상태 단층 촬영 장치 및 그 방법에에 관한 것이다.The present invention relates to a quantum tomography device and method based on a quantum switch, and more specifically, to a quantum state tomography device and method that accurately estimate the quantum state even in the maximum noise depolarization channel by using a quantum switch. .

양자 시스템의 상태를 특성화하는 능력은 양자 컴퓨팅, 통신 및 계측과 같은 연구 분야의 발전과 함께 필수적이되고 있다. 양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography, QST)은 동일하게 준비된 알려지지 않은 양자 상태에 대한 일련의 측정을 사용하여 양자 시스템의 상태를 나타내는 밀도 행렬을 통계적으로 재구성한다.The ability to characterize the state of quantum systems is becoming essential with advances in research fields such as quantum computing, communications, and metrology. Quantum State Tomography (QST) uses a series of identically prepared measurements of unknown quantum states to statistically reconstruct a density matrix representing the state of a quantum system.

또한, QST의 최근 발전은 얽힘 및 더 높은 차원을 포함하는 것과 같은 더 복잡한 양자 시스템의 특성화를 촉진했고, QST는 향후 양자 기술의 초석 역할을 할것으로 예상된다. Additionally, recent advances in QST have facilitated the characterization of more complex quantum systems, such as those involving entanglement and higher dimensions, and QST is expected to serve as a cornerstone of future quantum technologies.

QST 기술은 측정 관측 값, 통계 모델 및 양자 리소스 세트를 활용하는데, 가장 초기의 방법 중 하나는 측정 된 데이터의 단순한 선형 변환을 사용하여 양자 상태를 고유하게 결정하는 것이다.QST techniques utilize a set of measurement observations, statistical models and quantum resources, one of the earliest methods being to uniquely determine quantum states using simple linear transformations of the measured data.

한국공개특허 제2020-0050841호 "UD 기반 큐빗 상태 토모그래피를 위한 방법"Korean Patent Publication No. 2020-0050841 “Method for UD-based qubit state tomography” 한국등록특허 제2098285호, "양자 프로세스 분석 장치 및 방법"Korean Patent No. 2098285, “Quantum process analysis device and method”

본 발명은 최대 잡음이 채널에서 양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography, QST)을 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to enable quantum state tomography (QST) in a channel with maximum noise.

본 발명은 정확한 양자 상태 추정을 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to enable accurate quantum state estimation.

본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치부와, 상기 양자 스위치부에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부와 상기 단층 촬영부의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. A tomography apparatus according to an embodiment of the present invention includes a quantum switch unit that is controlled by a control qubit and receives a quantum state to be estimated, and a tomography unit that performs quantum state tomography on the state output from the quantum switch unit. and an estimation unit that estimates the initial state based on the output of the tomography unit and algebra, and quantum state imaging can be performed even in the maximum noise channel.

본 발명의 일실시예 따르면, 상기 양자 스위치부는 양자 채널을 결합할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the quantum switch unit can combine quantum channels.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the maximum noise channel may be set to infinite causal order (ICO).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 방법은 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하는 단계와, 상기 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단계와, 상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 단계를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트에 기반하여 제어될 수 있다.A tomography method according to an embodiment of the present invention includes transmitting a quantum state to be estimated to a quantum switch, performing quantum state tomography in a state output from the quantum switch, and outputting the quantum state tomography. and estimating the initial state based on algebra, and quantum state imaging can be performed even in the maximum noise channel. According to one embodiment of the present invention, the quantum switch combines quantum channels and can be controlled based on control qubits.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the maximum noise channel may be set to infinite causal order (ICO).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

일실시예에 따르면, 양자 스위치를 이용함으로써, 최대 잡음이 채널에서 QST의 수행이 가능하다.According to one embodiment, by using a quantum switch, it is possible to perform QST in a channel with maximum noise.

일실시예에 따르면, 양자 스위치에 기반한 QST를 수행함으로써 보다 정확한 양자 상태 추정이 가능하다.According to one embodiment, more accurate quantum state estimation is possible by performing QST based on a quantum switch.

도 1은 큐비트 전송에서 양자 스위치를 채택함으로써, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 2는 순수 상태들과 혼합 상태들에 대한 재구성 상태와 실제 상태의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 방법의 흐름도이다.
Figure 1 is a diagram illustrating a mechanism for performing QST in a quantum depolarization channel with maximum noise by adopting a quantum switch in qubit transmission.
Figure 2 shows the Log infidelity of the reconstructed state and the actual state for pure and mixed states.
Figure 3 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart of a tomography method according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are merely illustrative for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention. They may be implemented in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in this specification. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, a first component may be named a second component, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but that other components may exist in between. It should be. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between. Expressions that describe the relationship between components, such as “between”, “immediately between” or “directly adjacent to”, should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate the presence of a described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, and one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in this specification, should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. No.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography, QST)은 미지의 양자 상태를 결정하기 위한 양자 정보 처리 작업이다. 이 작업은 동일하게 준비된 양자 시스템(identically prepared quantum system)의 앙상블(ensemble)을 측정하고, 그 상태를 다양한 추정 방법으로 추론함으로써 수행된다. 양자 상태가 측정 전, 명확한 인과 순서(고전적 궤적)가 입력된 최대 잡음 탈분극 채널을 통과할 때 양자 상태가 최대 혼합 상태로 전환되어, QST 수행이 불가능하다.Quantum State Tomography (QST) is a quantum information processing task to determine unknown quantum states. This work is performed by measuring an ensemble of identically prepared quantum systems and inferring their states using various estimation methods. When the quantum state passes through the maximum noise depolarization channel with a clear causal sequence (classical trajectory) input before measurement, the quantum state switches to the maximum mixed state, making QST impossible.

고전적 궤적을 통해 양자 상태를 전달하는 대신, 본 명세서의 제안 방법은 채널을 무한한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정한다. 본 명세서에서는 ICO에서 탈분극 채널을 설정하면 채널이 최대 잡음 상태에 있더라도(maximally noisy) QST를 수행할 수 있음을 보여준다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 채널이 최대 잡음이 없을 때 선형 회귀 추정을 통해 QST에 대한 ICO의 영향을 살펴본다. 그리고/또는, 본 명세서에서는 ICO 배열에서 채널을 설정하는 것은 채널이 최대 잡음이 있을 때 유리하다는 것을 보여준다.Instead of propagating quantum states through classical trajectories, the proposed method here sets the channels in an infinite causal order (ICO). In this specification, we show that by setting a depolarizing channel in ICO, QST can be performed even if the channel is maximally noisy. And/or, this specification examines the impact of ICO on QST through linear regression estimation when the channel has no maximum noise. And/or, the present disclosure shows that configuring channels in an ICO arrangement is advantageous when the channels have maximum noise.

미지의 시스템의 상태를 판별하는 양자 작업은 양자 상태 단층 촬영(QST, Quantum State Tomography)라 칭할 수 있다. QST는 두 단계로 구성될 수 있다. Quantum work that determines the state of an unknown system can be called quantum state tomography (QST). QST can consist of two steps.

먼저, 동일하게 준비된 양자 상태 사본에 대한 측정이 수행된다. First, measurements are performed on identically prepared copies of the quantum state.

다음, 고전적인 통계 추정 방법을 사용해 양자 상태가 재구성된다. 양자 상태를 구성하는 방법은 선형 반전(methods to construct a quantum states are linear inversion, MLE), 최대 가능도 추정(maximum likelihood estimation), 베이지안 추정 방법(bayesian estimation method) 및 선형 회귀(linear regression) 등이 있을 수 있다.Next, the quantum state is reconstructed using classical statistical estimation methods. Methods to construct a quantum state are linear inversion (MLE), maximum likelihood estimation, Bayesian estimation method, and linear regression. There may be.

선형 반전(Linear inversion)은 이상적인 환경을 가정하여 수행될 수 있다. 따라서, 큐비트 측정 중에 오류가 발생한 경우, 복구된 상태는 물리적 상태가 아닐 수 있다. MLE는 수치 최적화에 의해 결정된 측정 데이터 세트를 생성할 가장 높은 확률을 제공하는 밀도 행렬을 찾는다. 베이지안 방법은 베이지안 정리를 이용하여 사전 확률 분포(prior) p(ρ)에 대한 지식으로 사후 확률 분포(posterior probability distribution) p(ρ|D)를 결정할 수 있다. 여기서 D는 측정 데이터를 의미한다.Linear inversion can be performed assuming an ideal environment. Therefore, if an error occurs during qubit measurement, the recovered state may not be the physical state. MLE finds the density matrix that provides the highest probability of generating a set of measurement data determined by numerical optimization. The Bayesian method uses the Bayesian theorem to determine the posterior probability distribution p(ρ|D) with knowledge of the prior probability distribution p(ρ). Here D means measurement data.

전통적인 양자 통신에서 양자 메시지가 일련의 통신채널 를 통해 전송될 때, 채널을 통해 송신되는 메시지의 순서는 채널 을 통과한 후에 또는 먼저 를 통과한 다음 을 통과하는 것으로 정의될 수 있다. In traditional quantum communication, quantum messages are a series of communication channels. and When transmitted through a channel, the order of messages transmitted through the channel is After passing or first After passing through It can be defined as passing through.

양자 이론은 이 채널들의 중첩을 생성하여 양자 채널을 결합하는 새로운 방식을 허용할 수 있다. 이를 통해, 정보 전달 순서는 이전의 두 가지 상태에 해당하지 않는다. 즉, 양자 채널 사이의 인과 순서가 무한하다. 무한한 인과 순서의 과정은 작업 순서가 퀀텀 비트(quantum bit)로 제어되는 양자 스위치(Quantum switch)에 의할 수 있다. 그리고/또는, 두 가지 대안적 순서를 중첩하여 완전 탈분극 채널의 조합을 통해 정보가 전송될 수 있다. 양자 스위치는 양자 계측(quantum metrology), 채널 용량 향상, 양자 탈분극 채널 식별 및 양자 인터넷을 향상시키는 데 활용될 수 있다.Quantum theory could allow new ways to combine quantum channels by creating superpositions of these channels. Through this, the information transfer order does not correspond to the previous two states. That is, the causal order between quantum channels is infinite. The process of infinite causal order can be achieved by a quantum switch where the order of operations is controlled by quantum bits. And/or, information can be transmitted through a combination of fully depolarizing channels, superimposing two alternative sequences. Quantum switches can be used to improve quantum metrology, enhance channel capacity, identify quantum depolarization channels, and enhance the quantum internet.

본 명세서에서는 양자 상태가 측정 전에 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널을 통해 전송된다는 가정하에 선형 회귀 분석을 통해 QST를 모델링한다. 그리고, 본 명세서에서는 양자 채널을 무한한 인과 순서로 설정하는 것이 QST에 미치는 영향을 살펴본다. 그리고, 본 명세서에서는 명확한(definite) 인과 순서 및 ICO로 조립된 채널을 통해 전송되는 경우 추정된 상태와 실제 상태의 부정확성(infidelity)을 비교한다. 후자의 방법은 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대한 QST를 지원할 수 있다.Herein, we model QST through linear regression under the assumption that the quantum state is transmitted through a quantum depolarization channel with maximum noise prior to measurement. Additionally, in this specification, we examine the impact of setting quantum channels in infinite causal order on QST. And, in this specification, the infidelity of the estimated state and the actual state is compared when transmitted through a channel assembled with a definite causal sequence and ICO. The latter method can support QST for quantum depolarization channels with maximum noise.

이하, 본 명세서에서는 먼저, 선형 회귀 방법과 양자 스위치를 통한 양자 상태 단층 촬영을 살펴보고, 명확한 인과 순서와 ICO에 따라 설정된 채널을 통해 양자 상태를 전송할 때 QST 성능을 살펴본다.Hereinafter, in this specification, we first look at quantum state tomography using a linear regression method and a quantum switch, and then look at QST performance when transmitting quantum states through a channel established according to a clear causal order and ICO.

양자 상태 단층 촬영(Quantum State Tomography)Quantum State Tomography

먼저, 미지의 양자 상태를 추정하기 위한 선형 회귀 접근법을 살펴본다. First, we look at a linear regression approach to estimate unknown quantum states.

이면 1이고, 그렇지 않은 경우 0인 Kronecker의 델타 함수 를 이용할 수 있다. 은 행렬의 추적을 의미하는 것으로 (1) 와 (2) 를 만족하는 Hermitian 연산자 로 지정할 수 있다. 예를 들면, 단일 큐비트의 경우(single-qubit case), 는 아래 수학식 1과 같을 수 있다. Kronecker's delta function, equal to 1 if can be used. means tracking the matrix (1) and (2) Hermitian operator that satisfies It can be specified as . For example, in the single-qubit case, may be the same as Equation 1 below.

큐비트 밀도 연산자(operator)는 다음 수학식 2와 같이 매개변수화될 수 있다. The qubit density operator can be parameterized as shown in Equation 2 below.

여기서, 이고, 측정 세트 이 베이시스(bases) 하에 다음 수학식 3과 같이 매개변수화될 수 있다고 가정할 수 있다.here, and the measurement set These basis It can be assumed that it can be parameterized as in Equation 3 below.

여기서, 이고, 이다. 이 작업에서 사용되는 측정 세트는 인 스토크스 측정 세트(stokes measurement set)이다. 보른 규칙(Born's rule)에 기반하여, 동일하게 준비된 양자 시스템의 다수의 사본들이 측정된다면, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 4와 같을 수 있다.here, ego, am. The measurement set used in this work is This is the Stokes measurement set. Based on Born's rule, if multiple copies of an identically prepared quantum system are measured, The probability of obtaining the measurement result may be as follows:

여기서, 는 열벡터 의 전치이고, 이다.here, is a column vector is the transpose of am.

상기 수학식 4로부터 QST에 대한 선형 회귀 형태는 다음 수학식 5와 같을 수 있다.From Equation 4 above, the linear regression form for QST may be as shown in Equation 5 below.

여기서, 이고, 이다.here, ego, am.

에 대해 상태 에서 양자 시스템을 N번 측정하는 것을 가정할 수 있다. 측정 결과 을 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 6에 의해 추정될 수 있다.each About status It can be assumed that the quantum system is measured N times. Measurement results The probability of obtaining can be estimated by the following equation 6.

여기서, 는 추정 오류 를 갖는 관찰된 주파수들을 나타낸다. 다음, 상기 수학식 5에서 선형 회귀 방정식은 다음 수학식 7과 같을 수 있다.here, is the estimation error represents the observed frequencies with . Next, the linear regression equation in Equation 5 may be as shown in Equation 7 below.

여기서, 이고, 이다. 큰 N의 경우, 은 평균 0과 변화량 를 갖는 정규 분포에 대한 분포로 수렴될 수 있다. 많은 측정이 수행된다면, 큐비트 상태에 대한 측정은 더 정확해질 수 있다. 상기 수학식 7에서 선형 회귀 문제에 대한 해결책은 다음 수학식 8을 최소화하는 일 수 있다.here, ego, am. For large N, is the mean 0 and the change It can converge to a distribution for a normal distribution with . If more measurements are performed, measurements of the qubit state can become more accurate. The solution to the linear regression problem in Equation 7 above is to minimize Equation 8: It can be.

측정 세트 이 정보적으로 완전하거나 넘쳐서 역을 가지는 것을 가정할 수 있다. 추정값 는 평균 제곱 오차(mean squared error)를 갖는 평향되지 않는 추정값이고, 점근적으로, 다음 수학식 9와 같을 수 있다.measurement set This information is complete or overflowing. It can be assumed that it has a station. estimate is an unbiased estimate with a mean squared error, and asymptotically may be equivalent to Equation 9 below.

여기서, 이다. here, am.

양자 탈분극 채널(Quantum Depolarizing Channel)Quantum Depolarizing Channel

양자 정보는 양자 채널을 통해 전송될 수 있다. 양자 채널은 밀도 연산자에 대한 맵을 보존하는 완전한 양의 추적으로서 수학적으로 정의될 수 있다. 채널을 통해 전송되는 동안, 큐비트는 확률 (1-q)를 갖는 완전히 혼합된 상태로 진화(evolution)하고, 확률 q로 그대로 유지될 수 있다. 이러한 종류의 양자 채널을 양자 탈분극 채널 이라 칭할 수 있다. 큐비트의 진화 는 다음 수학식 10과 같이 정의된다.Quantum information can be transmitted through quantum channels. A quantum channel can be mathematically defined as a complete positive trace that preserves the map over the density operator. While transmitted through the channel, the qubit can evolve into a fully mixed state with probability (1-q) and remain with probability q. This type of quantum channel is called quantum depolarization channel It can be called . Evolution of qubits is defined as in Equation 10 below.

양자 스위치 (Quantum Switch)Quantum Switch

상술한 바와 같이, 두 개의 양자 채널을 통해 전송되는 양자 시스템은 명확한 인과 순서로 진화하고, 두 번째 채널은 첫 번째 채널의 출력에 작용한다. 양자 시스템은 ICO에서도 진화할 수 있기 때문에 어떤 과정이 다른 과정보다 먼저 일어나는지 결정할 수 없다. 이것은 양자 스위치 때문에 가능하다. 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트라고 하는 큐비트 에 의해 상대적인 순서를 제어할 수 있다. 제어 큐비트가 상태에 있는 경우, 양자 스위치는 순서에 따라 양자 시스템을 지나갈 것이다. 제어 큐비트가 상태에 있다면, 양자 상태는 순서에 따라 양자 채널을 지나간다. 제어 큐비트가 와 같이 의 중첩에 있는 경우, 양자 스위치는 채널을 순서의 중첩에 둘 수 있다. 양자 스위치의 결과로서 양자 채널의 Kraus 연산자는 다음 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.As described above, a quantum system transmitted through two quantum channels evolves in a clear causal sequence, with the second channel acting on the output of the first channel. Because quantum systems can evolve even in ICOs, it is impossible to determine which process occurs before the other. This is possible because of quantum switches. Quantum switches combine quantum channels, qubits called control qubits. You can control the relative order by . control qubit When in the state, the quantum switch is We will go through quantum systems in order. control qubit If in a state, the quantum state is It passes through quantum channels in order. control qubit together with and If there is a superposition of , the quantum switch changes the channel to and It can be placed in a nested order. As a result of the quantum switch, the Kraus operator of the quantum channel can be defined as Equation 11 below.

여기서, 채널 의 Kraus 연산자는 각각 로 나타낼 수 있다. Here, channel and The Kraus operators are respectively and It can be expressed as

하나의 큐비트 시스템에 대한 양자 스위치는 다음 수학식 12와 같이 주어질 수 있다.The quantum switch for one qubit system can be given as Equation 12 below.

단층 촬영 방법, 시뮬레이션 및 결과Tomography methods, simulations and results

추론할 양자 상태 가 고전적인 궤적에서 잡음이 있는 탈분극 채널을 통해 측정 시스템으로 전송된다고 가정할 수 있다. 채널이 최대 잡음인 경우, 예를 들면 일 때, 수학식 10으로부터 큐비트는 에 종속하지 않는 다음 수학식 13의 최대 혼합 상태로 변환될 수 있다.Quantum state to infer It can be assumed that is transmitted to the measurement system through a noisy depolarizing channel in the classical trajectory. If the channel is at maximum noise, e.g. When , from Equation 10, the qubit is It can be converted to the maximum mixed state of Equation 13 below, which does not depend on .

결론적으로, 에서 QST가 수행된다면, 를 재구성하는 것은 불가능하다.as a result, If QST is performed in It is impossible to reconstruct.

제어 큐비트 를(여기서, ) 갖는 무한한 인과 순서에서 채널이 설정된다면, 채널의 출력은 다음 수학식 14와 같을 수 있다.control qubit (here, ), if the channel is set in an infinite causal sequence with ), the output of the channel can be as shown in Equation 14 below.

베이시스(basis)에서 제어 큐비트의 측정은 채널의 출력을 다음 수학식 15와 같이 변환할 수 있다. When measuring the control qubit in basis, the output of the channel can be converted as shown in Equation 15 below.

여기서, 는 각각 에서 측정 결과를 획득하는 확률을 나타낼 수 있다. 채널이 최대로 잡음이 있는 경우, 수학식 15로부터, 에 대해 QST를 수행한다면, 는 상태 를 재구성할 수 있는 것을 의미하는 에 의존할 수 있다.here, and are respectively and can represent the probability of obtaining a measurement result. If the channel is maximally noisy, from Equation 15, If you perform QST on is the state meaning that it is possible to reconstruct can depend on

를 측정한다면, 가 아닌 의 추정을 얻을 것이다. If you measure not You will get an estimate of

양자 상태의 확률이 온전히 남아 있는지 여부는 를 다음 수학식 16과 같이 복구할 수 있는 수학식 15로부터 양자 처리 단층 촬영(quantum process tomography)에 의해 결정될 수 있다.Whether the probability of a quantum state remains intact is Can be determined by quantum process tomography from Equation 15, which can be recovered as shown in Equation 16 below.

상에 수학식 16이 적용되는 경우, 가 비물리적 행렬인 몇가지 경우들이 있을 수 있다. When Equation 16 is applied to the above, There may be some cases where is a non-physical matrix.

이러한 이유로, 를 물리적 행렬 공간에 투영할 수 있고, 단위 트레이스와 양의 준정부호(semi-definite) 행렬들의 공간으로 표현될 수 있다. 단순 투영 알고리즘은 채택될 수 있으며, 이것의 아이디어는 밀도 행렬의 모든 고윳값들을 양의 값들 그리고 이들의 합으로 변환하는 것일 수 있다.For this reason, can be projected onto the physical matrix space and expressed as a space of unit traces and positive semi-definite matrices. A simple projection algorithm can be adopted, the idea of which may be to transform all the eigenvalues of the density matrix into positive values and their sum.

<MSE 분석(MSE analysis)><MSE analysis>

수학식 15에서의 양자 상태가 측정된다면, 상태 에 대한 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 다음 수학식 17과 같이 정의될 수 있다.If the quantum state in Equation 15 is measured, then the state for The probability of obtaining the measurement result of can be defined as in Equation 17 below.

상태 의 경우, 확룔은 다음 수학식 18과 같이 정의될 수 있다.situation In the case of , the certainty can be defined as follows in Equation 18.

최대 노이즈 채널(q=0)의 경우, 는 다음 수학식 19와 같을 수 있다.For the maximum noise channel (q=0), may be equal to the following equation 19:

여기서, 제어 큐비트가 상태 에 해당하는 경우, 즉 인 경우, 더 나은 결과는 얻어질 수 있다.Here, the control qubit is in the state In the case that applies, that is, In this case, better results can be obtained.

수학식 9로부터, X는 제어 큐비트 측정 후 획득된 양쪽 상태에 대한 동일한 값을 얻을 수 있다. 그러므로, P에 의해 야기된 차이점을 확인해야할 필요가 있다.From equation 9, X can obtain the same value for both states obtained after measuring the control qubit. Therefore, there is a need to identify the differences caused by P.

모순을 가정하기 위해, 는 다음 수학식 20부터 수학식 21의 과정을 거쳐 수학식 22로 표현될 수 있다.To assume a contradiction, Can be expressed as Equation 22 through the following process from Equation 20 to Equation 21.

여기서, 이고, 이며, 이고, 이며, 이다.here, ego, and ego, and am.

여기서, 수학식 22는 로 표현될 수 있고, 은 모순이다. 그러므로, 어야 할 수 있다.Here, equation 22 is It can be expressed as is a contradiction. therefore, It can be done.

수학식 13으로부터 양자 상태가 고전(classical) 배열을 통해 전송되는 경우, 의 측정 결과를 획득하기 위한 확률은 이고, 이에 따라 보다 더 큰 MSE는 주어질 것이다.From Equation 13, if the quantum state is transmitted through a classical arrangement, The probability of obtaining a measurement result of And, accordingly, and A larger MSE will be given.

<수치 시뮬레이션(Numerical Simulation)><Numerical Simulation>

이하에서는, 상술한 체계를 사용하여 하나의 큐비트 시스템에서 수치 시뮬레이션을 수행한다. 순수 상태와 혼합 상태에서 QST를 수행하여 두 가지 상태 모두에서 체계가 잘 작동하는지 확인한다.Below, numerical simulations are performed on a single qubit system using the above-described scheme. QST is performed in pure and mixed states to ensure that the system performs well in both states.

도 1은 큐비트 전송에서 양자 스위치(110)를 채택함으로써, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에서 QST를 수행하기 위한 메커니즘을 설명하는 도면이다.Figure 1 is a diagram illustrating a mechanism for performing QST in a quantum depolarization channel with maximum noise by employing a quantum switch 110 in qubit transmission.

도 1을 참조하면, 시뮬레이션 시 구성되는 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(100)는 양자 스위치(Quantum Switch)(110)와, 제어 큐비트를 측정하는 측정(Control Qubit Measurement) 장치(120)와, 양자 상태 단층 촬영(Quantum Sate Tomography) 장치(130)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the tomography device 100 according to an embodiment configured during simulation includes a quantum switch 110, a control qubit measurement device 120, and , may include a quantum state tomography device 130.

Haar 측정(measure)에 따라, 그리고 혼합 상태들을 위한 힐베르트-슈미트(Hilbert-Schmidt) 측정(measure) 또는 Bures 측정(measure)에 따라 균일하게 분포된 개의 임의 양자 상태들이 생성될 수 있다. 측정 전에 고전적 궤도에서 조립된 최대 잡음이 있는 탈분극 채널 및 ICO에서 큐비트 전송을 모델링할 수 있다. 측정들은 각 큐비트 상에서 각 마다 수행될 수 있다. 실제 상태와 추정이 얼마나 가까운지 정량화하기 위해, 양쪽 상태 모두의 정확도(fidelity)가 계산될 수 있다.uniformly distributed according to the Haar measure and according to the Hilbert-Schmidt measure or Bures measure for mixed states. Random quantum states can be created. It is possible to model qubit transport in depolarizing channels and ICOs with maximum noise assembled from classical orbits prior to measurement. Measurements are made on each qubit. It can be performed every time. To quantify how close the actual state is to the estimate, both states The fidelity of all can be calculated.

다음, 개의 양자 상태들의 평균 log 정확도 는 계산될 수 있다. 상태들이 유한한 인과 순서 그리고 ICO에서 전송되는 경우, 이러한 추정을 갖는 실제 순수 상태들의 Log 부정확도(infidelity)는 도 2와 같이 나타낼 수 있다.next, Average log accuracy of quantum states can be calculated. If the states are transmitted in finite causal order and ICO, the Log infidelity of the actual pure states with this estimate can be represented as in Figure 2.

도 2는 순수 상태들 (a)과 혼합 상태들 (b)에 대한 재구성 상태 와 실제 상태 의 Log 부정확도(infidelity)를 나타낸다.Figure 2 shows the reconstruction states for pure states (a) and mixed states (b) and actual state Indicates the log infidelity.

실제 상태들이 ICO 배열에서 놓여진 채널을 통해 전송되는 경우, log 부정확도(infidelity)는 각 에서의 측정 결과에 대해 빨간 색과 녹색 선에 의해 표시될 수 있다. 또한, 추정된 상태의 평균 정확도는 다음 수학식 23과 같이 계산될 수 있다.When real states are transmitted over channels placed in an ICO array, the log infidelity is and Measurement results can be displayed by red and green lines. Additionally, the average accuracy of the estimated state can be calculated as shown in Equation 23 below.

여기서, 는 제어 큐비트의 측정이 에 대응하는 경우, 추정된 상태의 확률과 정확도일 수 있다.here, and is the measurement of the control qubit and In the case corresponding to , it may be the probability and accuracy of the estimated state.

도 2로부터, 최대 잡음이 있는 양자 탈분극 채널에 대해, ICO 배열이 순수 상태 및 혼합 상태 양쪽 모두에 대한 QST 추정 성능에 도움이 되는 것을 확인할 수 있다. 측정 결과 에 해당하는 상태들 상에 QST는 이전에 설명된 MSE 분석과 일치하는 에 해당하는 상태들보다 더 좋은 추정을 획득할 수 있다.From Figure 2, it can be seen that for the quantum depolarization channel with maximum noise, the ICO arrangement helps the QST estimation performance for both pure and mixed states. Measurement results The QST on the corresponding states is consistent with the previously described MSE analysis. A better estimate can be obtained than the corresponding states.

예를 들어, 도 3의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(300)는 상술한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(300)의 양자 스위치부(310)를 통과한 출력은 수학식 14와 같을 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(300)의 양자 스위치부(310)는 베이시스(basis)에서의 제어 큐비트에서 채널의 출력을 수학식 15와 같이 변환할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(300)의 단층 촬영부(320) 및/또는 추정부(330)는 상기의 양자 상태 단층 촬영에 대한 설명과 같이 선형 회귀 접근법에 기반하여 양자 상태를 추정할 수 있다. 예를 들어, 단층 촬영 장치(300)의 단층 촬영부(320) 및/또는 추정부(330)는 수학식 1 내지 수학식 9의 연산을 수행할 수 있다. 그리고/또는, 단층 촬영 장치(300)의 단층 촬영부(320) 및/또는 추정부(330)는 수학식 15에 기반하여 를 재구성할 수도 있다.For example, the tomographic imaging device 300 according to the embodiment of FIG. 3 may perform the above-described operation. For example, the output passing through the quantum switch unit 310 of the tomography apparatus 300 may be expressed as Equation 14. And/or, the quantum switch unit 310 of the tomography apparatus 300 The output of the channel from the control qubit in the basis can be converted as shown in Equation 15. And/or, the tomography unit 320 and/or the estimation unit 330 of the tomography apparatus 300 may estimate the quantum state based on a linear regression approach, as described above for quantum state tomography. . For example, the tomography unit 320 and/or the estimation unit 330 of the tomography apparatus 300 may perform the calculations of Equations 1 to 9. And/or, the tomography unit 320 and/or the estimation unit 330 of the tomography apparatus 300 based on Equation 15 can also be reconstructed.

그리고/또는, 단층 촬영 장치(300)의 단층 촬영부(320) 및/또는 추정부(330)는 수학식 16에 의해 에 또는 를 결정 및/또는 추정할 수 있다. And/or, the tomography unit 320 and/or the estimation unit 330 of the tomography apparatus 300 is calculated by Equation 16: to or can be determined and/or estimated.

도 3을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 상술한 방식에 한하지 않으며, 다양한 방식으로 본 명세서에서 설명된 동작들을 수행할 수 있다. 또한, 단층 촬영 장치는 상기 도 3을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작 이외에도 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들을 수행할 수 있다. The operation of the tomography apparatus described with reference to FIG. 3 is not limited to the above-described method, and the operations described herein can be performed in various ways. Additionally, the tomographic imaging device may perform all or some of the operations described in this specification in addition to the operations of the tomographic imaging device described with reference to FIG. 3 above.

본 명세서에서는 최대 잡음이 있는 탈분극 채널에서의 QST를 살펴보았다. 본 명세서에서는 최대 잡음 채널에서 QST가 가능하도록 양자 스위치(quantum switch)을 적용하였다. 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 양자 전환 배열로 큐비트를 전송하는 것이 고전적인 궤도를 통해 전송하는 것보다 더 정확한 양자 상태 추정을 제공한다. 다시 말해, 본 발명은 최대 잠음이 있는 탈분극 양자 채널에서 정확한 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.In this specification, we look at QST in a depolarizing channel with maximum noise. In this specification, a quantum switch was applied to enable QST in the maximum noise channel. As described herein, transmitting qubits in a quantum switching array provides more accurate quantum state estimates than transmitting them via classical orbitals. In other words, the present invention can perform accurate quantum state tomography in a depolarized quantum channel with maximum silencing.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치의 블록도이다.Figure 3 is a block diagram of a tomographic imaging device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 장치(300)는 제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치부(310)와, 양자 스위치부(310)에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부(320)와, 단층 촬영부(320)의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부(330)를 포함하며, 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. Referring to FIG. 3, the tomography apparatus 300 according to an embodiment of the present invention includes a quantum switch unit 310 that is controlled by a control qubit and receives a quantum state to be estimated, and a quantum switch unit 310. It includes a tomography unit 320 that performs quantum state tomography on the output state, and an estimation unit 330 that estimates the initial state based on the output of the tomography unit 320 and algebra, even in the maximum noise channel. Quantum state imaging can be performed.

그리고/또는, 양자 스위치부(310)는 양자 채널을 결합할 수 있다.And/or, the quantum switch unit 310 may combine quantum channels.

그리고/또는, 단층 촬영은 선형 회귀 추정에 기반할 수 있다.And/or, tomography may be based on linear regression estimation.

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.And/or, the maximum noise channel may be set to Indefinite Causal Order (ICO).

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다.And/or, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(300)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함에 따라 최대 잡음 탈분극 양자 채널에서 양자 상태 단층 촬영 정확도를 향상시킬 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 300 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing , the quantum state tomography accuracy can be improved in the maximum noise depolarization quantum channel by estimating the initial state.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 장치(300)는 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정함으로써, 채널 잡음이 최대인 경우에도 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.According to another embodiment, the tomography device 300 transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and uses algebra in predicting the state output from the quantum switch. By performing to estimate the initial state, quantum state tomography can be performed even when the channel noise is maximum.

그리고/또는, 양자 상태는 최대 잡음 탈분극 양자 채널로 전송되면 최대한으로 혼합된 상태로 변환하면서 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 없게 된다. 채널 잡음이 최대인 경우에도 일실시 예에 따른 양자 상태 단층 촬영 장치는 먼저, 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정할 수 있다.And/or, when the quantum state is transmitted in a maximally noisy depolarizing quantum channel, it transforms into a maximally mixed state, making it impossible to perform quantum state tomography. Even when the channel noise is maximum, the quantum state tomography device according to one embodiment first transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and outputs from the quantum switch. The initial state can be estimated by performing algebra on the prediction of the resulting state.

도 3을 참조하여 설명한 단층 촬영 장치의 동작은 이에 한정되지 않으며, 이외 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들이 단층 촬영 장치에 의해 수행될 수 있다.The operations of the tomography apparatus described with reference to FIG. 3 are not limited to this, and all or some of the operations described in this specification may be performed by the tomography apparatus.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단층 촬영 방법의 흐름도이다.Figure 4 is a flowchart of a tomography method according to an embodiment of the present invention.

예를 들어, 도 4의 단층 촬영 방법은 도 3의 단층 촬영 장치에 의해 수행될 수 있다. For example, the tomography method of FIG. 4 may be performed by the tomography apparatus of FIG. 3 .

도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 S401 단계에서, 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송할 수 있다.Referring to FIG. 4, the tomography apparatus according to one embodiment may transmit the quantum state to be estimated to the quantum switch in step S401.

그리고/또는, 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 S402 단계에서, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 있다.And/or, the tomography apparatus according to one embodiment may perform quantum state tomography in a state output from the quantum switch in step S402.

그리고/또는, 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 S403 단계에서, 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정할 수 있다. And/or, the tomography apparatus according to one embodiment may estimate the initial state based on the output and algebra of quantum state tomography in step S403.

이에 따라, 일실시예에 따른 단층 촬영 장치는 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행될 수 있다. Accordingly, the tomographic imaging device according to one embodiment can perform quantum state imaging even in the maximum noise channel.

그리고/또는, 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트에 기반하여 제어될 수 있다.And/or, quantum switches can combine quantum channels and be controlled based on control qubits.

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정될 수 있다.And/or, the maximum noise channel can be set to Indefinite Causal Order (ICO).

그리고/또는, 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널일 수 있다. And/or, the maximum noise channel may be a quantum depolarization channel.

그리고/또는, 단층 촬영은 선형 회귀 추정에 기반할 수 있다.And/or, tomography may be based on linear regression estimation.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 방법은 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정하는 동작을 포함하여, 최대 잡음 탈분극 양자 채널에서 양자 상태 단층 촬영 정확도를가 향상될 수 있다.According to another embodiment, the tomography method transmits the quantum state to be estimated to a quantum switch, performs quantum state tomography on the state output from the quantum switch, and performs algebra on the prediction of the state output from the quantum switch. By including operations to estimate the initial state, the accuracy of quantum state tomography in maximum noise depolarizing quantum channels can be improved.

다른 일실시예에 따라, 단층 촬영 방법은 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정하는 동작을 포함하여, 채널 잡음이 최대인 경우에도 양자 상태 단층 촬영이 수행될 수 있다.According to another embodiment, the tomography method transmits the quantum state to be estimated to a quantum switch, performs quantum state tomography on the state output from the quantum switch, and performs algebra on the prediction of the state output from the quantum switch. Quantum state tomography can be performed even when channel noise is maximum, including the operation of estimating the initial state.

그리고/또는, 양자 상태는 최대 잡음 탈분극 양자 채널로 전송되면 최대한으로 혼합된 상태로 변환하면서 양자 상태 단층 촬영을 수행할 수 없게 된다. 채널 잡음이 최대인 경우에도 일실시 예에 따른 양자 상태 단층 촬영 방법은 먼저, 추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하고, 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하며, 양자 스위치에서 출력되는 상태의 예측에서 대수학을 수행하여 초기 상태를 추정하는 동작을 포함할 수 있다.And/or, when the quantum state is transmitted in a maximally noisy depolarizing quantum channel, it transforms into a maximally mixed state, making it impossible to perform quantum state tomography. Even when the channel noise is maximum, the quantum state tomography method according to one embodiment first transmits the quantum state to be estimated to the quantum switch, performs quantum state tomography in the state output from the quantum switch, and outputs from the quantum switch. It may include an operation of estimating the initial state by performing algebra in the prediction of the state.

도 4를 참조하여 설명한 단층 촬영 방법은 이에 한정되지 않으며, 이외 본 명세서에서 설명된 모든 또는 일부 동작들이 단층 촬영 방법에 포함될 수 있다.The tomography method described with reference to FIG. 4 is not limited to this, and all or some of the operations described in this specification may be included in the tomography method.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

Claims (8)

제어 큐비트에 의해 제어되고 추정될 양자 상태를 수신하는 양자 스위치를 포함하되,
상기 양자 스위치는, 양자 채널을 결합하고, 상기 제어 큐비트라고 하는 큐비트 에 의해 상대적인 순서를 제어하며, 상기 제어 큐비트가 상태에 있는 경우, 상기 양자 스위치는 순서에 따라 양자 시스템을 지나가고, 상기 제어 큐비트가 상태에 있다면, 양자 상태는 순서에 따라 상기 양자 스위치가 양자 채널을 지나가며, 상기 제어 큐비트가 와 같이 의 중첩에 있는 경우, 상기 양자 스위치는 채널을 순서의 중첩에 두는 것을 특징으로 하는 양자 스위치부;
상기 양자 스위치부에서 출력되는 상태에 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단층 촬영부; 및
상기 단층 촬영부의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 추정부를 포함하고,
상기 스위치부는 베이시스(basis)에서의 제어 큐비트에서 채널의 출력을 변환하고,
상기 단층 촬영부 또는 상기 추정부는 상기의 양자 상태 단층 촬영에 대한 설명과 같이 선형 회귀 접근법에 기반하여 양자 상태를 추정하며,
상기 단층 촬영부 또는 추정부는 양자 상태를 재구성하고,
상기 단층 촬영부 또는 추정부는 물리적 행렬 공간에 투영할 수 있고, 단위 트레이스와 양의 정부호(semi-definite) 행렬들의 공간으로 표현될 수 있도록 재구성한 상기 양자 상태를 새롭게 추정하는 것을 특징으로 하는 최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행되는 단층 촬영 장치.
A quantum switch controlled by a control qubit and receiving a quantum state to be estimated, comprising:
The quantum switch combines quantum channels and qubits called control qubits. The relative order is controlled by, and the control qubit is When in the state, the quantum switch is Passing through the quantum system in order, the control qubits If in a state, the quantum state is According to the order, the quantum switch passes through the quantum channel, and the control qubit is together with and If there is a superposition of the quantum switch, the channel and A quantum switch unit characterized in that it is placed in a superposition of orders;
a tomography unit that performs quantum state tomography on the state output from the quantum switch unit; and
An estimation unit that estimates the initial state based on the output of the tomography unit and algebra,
The switch part Convert the output of the channel in the control qubit at the basis,
The tomography unit or the estimation unit estimates the quantum state based on a linear regression approach as described in the description of quantum state tomography above,
The tomography unit or estimation unit is in a quantum state Reconstruct,
The tomography unit or estimation unit can be projected onto a physical matrix space and is characterized in that it newly estimates the reconstructed quantum state so that it can be expressed in a space of unit traces and positive semi-definite matrices. A tomographic device in which quantum state imaging is performed even in the highest noise channel.
제1항에 있어서,
상기 양자 스위치부는 양자 채널을 결합하는 단층 촬영 장치.
According to paragraph 1,
The quantum switch unit is a tomography device that combines quantum channels.
제1항에 있어서,
상기 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정되는 단층 촬영 장치.
According to paragraph 1,
A tomography device in which the maximum noise channel is set to an infinite causal order (ICO).
제1항에 있어서,
상기 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널인 단층 촬영 장치.
According to paragraph 1,
A tomography device wherein the maximum noise channel is a quantum depolarization channel.
추정될 양자 상태를 양자 스위치로 전송하는 단계;
상기 양자 스위치에서 출력되는 상태에서 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단계; 및
상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 단계를 포함하며,
최대 잡음 채널에서도 양자 상태 촬영이 수행되되,
상기 양자 스위치는, 양자 채널을 결합하고, 상기 제어 큐비트라고 하는 큐비트 에 의해 상대적인 순서를 제어하며, 상기 제어 큐비트가 상태에 있는 경우, 상기 양자 스위치는 순서에 따라 양자 시스템을 지나가고, 상기 제어 큐비트가 상태에 있다면, 양자 상태는 순서에 따라 상기 양자 스위치가 양자 채널을 지나가며, 상기 제어 큐비트가 와 같이 의 중첩에 있는 경우, 상기 양자 스위치는 채널을 순서의 중첩에 두는 것을 특징으로 하고,
상기 양자 스위치는 베이시스(basis)에서의 제어 큐비트에서 채널의 출력을 변환하고,
상기 양자 상태 단층 촬영을 수행하는 단계는 상기의 양자 상태 단층 촬영에 대한 설명과 같이 선형 회귀 접근법에 기반하여 양자 상태를 추정하여,
상기 양자 상태를 재구성하고,
상기 양자 상태 단층 촬영의 출력 및 대수학에 기반하여 초기 상태를 추정하는 단계는,
상기 단층 촬영 또는 추정은 물리적 행렬 공간에 투영할 수 있고, 단위 트레이스와 양의 정부호(semi-definite) 행렬들의 공간으로 표현될 수 있도록 재구성한 상기 양자 상태를 새롭게 추정하는 것을 특징으로 하는 단층 촬영 방법.
transmitting the quantum state to be estimated to a quantum switch;
performing quantum state tomography in a state output from the quantum switch; and
estimating an initial state based on the output of the quantum state tomography and algebra,
Quantum state imaging is performed even in the maximum noise channel,
The quantum switch combines quantum channels and qubits called control qubits. The relative order is controlled by, and the control qubit is When in the state, the quantum switch is Passing through the quantum system in order, the control qubits If in a state, the quantum state is According to the order, the quantum switch passes through the quantum channel, and the control qubit is together with and If there is a superposition of the quantum switch, the channel and Characterized by being placed in a nested order,
The quantum switch is Convert the output of the channel in the control qubit at the basis,
The step of performing the quantum state tomography includes estimating the quantum state based on a linear regression approach as described in the description of the quantum state tomography above,
the quantum state Reconstruct,
The step of estimating the initial state based on the output and algebra of the quantum state tomography is,
The tomography or estimation can be projected onto a physical matrix space and is characterized by newly estimating the reconstructed quantum state so that it can be expressed as a space of unit traces and positive semi-definite matrices. How to shoot.
제5항에 있어서,
상기 양자 스위치는 양자 채널을 결합하고, 제어 큐비트에 기반하여 제어되는 단층 촬영 방법.
According to clause 5,
A tomography method in which the quantum switch combines quantum channels and is controlled based on a control qubit.
제5항에 있어서,
상기 최대 잡음 채널은 무한 인과 순서(Indefinite Causal Order, ICO)로 설정되는 단층 촬영 방법.
According to clause 5,
A tomographic method in which the maximum noise channel is set to an infinite causal order (ICO).
제5항에 있어서,
상기 최대 잡음 채널은 양자 탈분극 채널인 단층 촬영 방법.
According to clause 5,
A tomography method wherein the maximum noise channel is a quantum depolarization channel.
KR1020200160381A 2020-11-25 2020-11-25 Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof KR102591035B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200160381A KR102591035B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200160381A KR102591035B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220072594A KR20220072594A (en) 2022-06-02
KR102591035B1 true KR102591035B1 (en) 2023-10-18

Family

ID=81985622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200160381A KR102591035B1 (en) 2020-11-25 2020-11-25 Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102591035B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102098285B1 (en) 2018-04-12 2020-04-08 한국과학기술연구원 Apparatus and method for analyzing quantum process
KR102186587B1 (en) 2018-11-02 2020-12-03 한양대학교 에리카산학협력단 The method for UD-based qudit state tomography

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Artur Czerwinski "Optimal evolution models for quantum tomography." Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical Vol. 49(7), 075301(2016.) 1부.*
Michael Frey "Indefinite causal order aids quantum depolarizing channel identification." Quantum Information Processing, Vol. 18(4), pp. 1-20(2019.) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220072594A (en) 2022-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Sparse activity detection for massive connectivity
He et al. Secure communication based on quantized synchronization of chaotic neural networks under an event-triggered strategy
Xie et al. Sequential and adaptive sampling for matrix completion in network monitoring systems
US11740984B1 (en) Testing hardware in a quantum computing system
Hebenstreit et al. Compressed quantum computation using a remote five-qubit quantum computer
Shi et al. Event-based state estimation of discrete-state hidden Markov models
US10666462B2 (en) Quantum system performing quantum channel estimation and method of modeling quantum channel
Nakata et al. Quantum circuits for exact unitary t-designs and applications to higher-order randomized benchmarking
Porfiri et al. Information flow in a model of policy diffusion: An analytical study
McGinley et al. Quantifying information scrambling via classical shadow tomography on programmable quantum simulators
Wu et al. Energy-efficient and robust tensor-encoder for wireless camera networks in Internet of Things
KR102591035B1 (en) Method of performing quantum state tomography in maximally noisy quantum depolarizing channel and apparatus thereof
CN117610669A (en) Quantum error relieving method and device
KR102643265B1 (en) Method and apparatus for counterfactual controlled quantum teleportation in an integrated quantum information processing system
Kvassay et al. Time-dependent analysis of series-parallel multistate systems using structure function and markov processes
KR102636303B1 (en) Apparatus and method of measuring quantum correlation in single qubit metrology in quantum information integrated processing system
CN110149277B (en) Network congestion link diagnosis method and system based on link congestion intensity distribution
Saeedi et al. Feed-forward back-propagation neural networks in side-channel information characterization
Raza et al. Network tomography by non negative matrix factorization (NNMF)
CN116137564A (en) Ciphertext decryption method and related equipment
Peng et al. SmiLe Net: A Supervised Graph Embedding-based Machine Learning Approach for NextG Vulnerability Detection
Junior et al. Multivariate reduction in wireless sensor networks
KR20240018909A (en) Apparatus and method for classifying quantum states in quantum information integrated processing system
Zhang et al. Enhancing network performance tomography in software-defined cloud network
Kay et al. Multipartite purification protocols: upper and optimal bounds

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)