Кіріспе
Кванттық томография немесе кванттық күй томографиясы – өлшеулер арқылы кванттық күйді қайта құру процесі. Осы күйлердің көзі кванттық күйлерді кванттық таза күйлерге немесе жалпы аралас күйлерге тұрақты түрде дайындайтын кез келген құрылғы немесе жүйе болуы мүмкін. Күйді бірегей анықтау үшін өлшеулер томографиялық тұрғыдан толық болуы керек. Яғни, өлшенген операторлар жүйенің Гильберт кеңістігінде операторлық базаны құруы керек, бұл күй туралы барлық ақпаратты ұсынады. Мұндай байқаулар жиынтығы кейде кворум деп аталады. Томография термині алғаш рет 1993 жылы кванттық физика әдебиетінде эксперименталды оптикалық гомодиндік томографияны енгізген мақалада қолданылды. Кванттық процесс томографиясында, керісінше, белгілі кванттық күйлер кванттық процесті зерттеу үшін, процесті қалай сипаттауға болатынын анықтау үшін пайдаланылады. Сол сияқты, кванттық өлшеу томографиясы қандай өлшеу орындалып жатқанын анықтауға көмектеседі. Ал, рандомизацияланған бағалау, қатеге бейім физикалық кванттық процесс пен оның идеалды әріптесі арасындағы сәйкестік шамасын масштабты түрде анықтайды. Кванттық күй томографиясының негізгі принципі – бірдей тығыздық матрицаларымен сипатталатын кванттық жүйелерде көптеген әртүрлі өлшеулерді қайталап орындау арқылы жиілік санаулары ықтималдықтарды анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін, ал осы ықтималдықтар Борн ережесімен біріктіріліп, байқауларға ең жақсы сәйкес келетін тығыздық матрицасын анықтайды. Мұны классикалық аналогия жасау арқылы оңай түсінуге болады. Гармоникалық осцилляторды (мысалы, маятник) қарастырайық. Осциллятордың кез келген нүктедегі орны мен импульсін өлшеуге болады, сондықтан қозғалысты фазалық кеңістікпен толық сипаттауға болады. Бұл 1-суретте көрсетілген. Осы өлшеуді көптеген бірдей осцилляторлар үшін орындау арқылы фазалық кеңістіктегі ықтималдық үлестірілімін аламыз (2-сурет). Бұл үлестіруді нормалдауға болады (осциллятор белгілі бір уақытта бір жерде болуы керек) және үлестіру теріс емес болуы керек. Осылайша, бөлшектің берілген моментпен берілген нүктеде табылу ықтималдығын сипаттайтын функцияны алдық. Кванттық механикалық бөлшектер үшін де осылай жасауға болады. Бір ғана айырмашылық – Гейзенбергтің белгісіздік принципі бұзылмауы керек, яғни бөлшектің импульсі мен орнын бір уақытта өлшеуге болмайды. Бөлшектің импульсі мен оның орны кванттық байланысты күйлерде квадраттар деп аталады (толығырақ ақпарат үшін Оптикалық фазалық кеңістікке қараңыз). Көптеген бірдей кванттық күйлердің квадратураларының біреуін өлшеу бізге сол нақты квадратураға сәйкес келетін ықтималдық тығыздығын береді. Бұл шеттік үлестіру деп аталады (3-суретті қараңыз). Келесі мәтінде осы ықтималдық тығыздығы бөлшектің кванттық күйін сипаттау үшін қажет екенін көреміз, бұл кванттық томографияның мақсаты.
Quantum tomography or quantum state tomography is the process by which a quantum state is reconstructed using measurements on an ensemble of identical quantum states. The source of these states may be any device or system which prepares quantum states either consistently into quantum pure states or otherwise into general mixed states. To be able to uniquely identify the state, the measurements must be tomographically complete. That is, the measured operators must form an operator basis on the Hilbert space of the system, providing all the information about the state. Such a set of observations is sometimes called a quorum. The term tomography was first used in the quantum physics literature in a 1993 paper introducing experimental optical homodyne tomography. In quantum process tomography on the other hand, known quantum states are used to probe a quantum process to find out how the process can be described. Similarly, quantum measurement tomography works to find out what measurement is being performed. Whereas, randomized benchmarking scalably obtains a figure of merit of the overlap between the error prone physical quantum process and its ideal counterpart. The general principle behind quantum state tomography is that by repeatedly performing many different measurements on quantum systems described by identical density matrices, frequency counts can be used to infer probabilities, and these probabilities are combined with Born's rule to determine a density matrix which fits the best with the observations. This can be easily understood by making a classical analogy. Consider a harmonic oscillator (e. g. a pendulum). The position and momentum of the oscillator at any given point can be measured and therefore the motion can be completely described by the phase space. This is shown in figure 1. By performing this measurement for a large number of identical oscillators we get a probability distribution in the phase space (figure 2). This distribution can be normalized (the oscillator at a given time has to be somewhere) and the distribution must be non negative. So we have retrieved a function which gives a description of the chance of finding the particle at a given point with a given momentum. For quantum mechanical particles the same can be done. The only difference is that the Heisenberg's uncertainty principle mustn't be violated, meaning that we cannot measure the particle's momentum and position at the same time. The particle's momentum and its position are called quadratures (see Optical phase space for more information) in quantum related states. By measuring one of the quadratures of a large number of identical quantum states will give us a probability density corresponding to that particular quadrature. This is called the marginal distribution, or (see figure 3). In the following text we will see that this probability density is needed to characterize the particle's quantum state, which is the whole point of quantum tomography.
Кванттық томографияның қандай күйде қолданылуы
Кванттық томография жүйелердің көзіне қолданылады, осы көздің шығысындағы кванттық күйді анықтау үшін. Жекелеген жүйедегі өлшеуден өзгеше, ол өлшеуден кейін жүйенің ағымдағы күйін анықтайды (әдетте, өлшеу амалы кванттық күйді өзгертеді), ал кванттық томография өлшеулерге дейін күйді анықтауға бағытталған. Кванттық томография оптикалық сигналдарды сипаттау үшін, соның ішінде оптикалық құрылғылардың сигнал күшейту және жоғалтуын өлшеу үшін, сондай-ақ кванттық есептеулер және кванттық ақпарат теориясында кубиттердің нақты күйлерін сенімді анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Бір адам, Боб, көптеген бірдей нысандарды (бөлшектер немесе өрістерді) бірдей кванттық күйде дайындап, содан кейін оларды өлшеу үшін Алисаға беретін жағдайды көзге елестетейік. Бобтың күй сипаттамасына көзі жетпей, Алиса өзі күйді жіктеу үшін кванттық томография жасағысы келеді.
Сызықтық инверсияның проблемалары
Тығыздық матрицасын табу үшін сызықтық инверсия қолданудың басты қиындықтарының бірі – есептелген шешім көбінесе жарамды тығыздық матрицасы болмайды. Мысалы, ол кейбір өлшемдердің нәтижелері үшін теріс немесе 1-ден асатын ықтималдықтарды көрсетуі мүмкін. Бұл мәселе, әсіресе, өлшемдердің саны шектеулі болғанда өзекті болады. Тағы бір мәселе – шексіз өлшемді Гильберт кеңістіктерінде өлшемдердің шексіз саны қажет. Құрылым туралы болжамдар жасау және шекті өлшемдер базасын пайдалану фазалық кеңістікте тығыздық артефакттарына алып келеді. Бұл әдістер қазіргі таңда зерттеулердің белсенді тақырыбы болып табылады.
Кванттық өлшеу томографиясы
Бір адам кванттық жүйелерде белгілі бір өлшемді орындайтын және қандай өлшем қажет екенін анықтайтын жағдайды көзге елестете алады. Стратегия – әртүрлі белгілі күйдегі жүйелерді жіберіп, осы күйлерді белгісіз өлшемнің нәтижелерін бағалау үшін пайдалану. "Кванттық бағалау" деп те аталатын томографиялық әдістер, кванттық өлшем томографиясы және оған өте ұқсас кванттық күй томографиясы сияқты, маңыздылығы артып келеді. Өлшем әрқашан POVM жиынтығымен сипатталатындықтан, мақсат – сипаттамалық POVM-дерді қайта құру болып табылады. Ең қарапайым тәсіл – сызықтық инверсия. Кванттық күйді бақылаудағыдай, жоғарыда айтылған сызықтықты пайдалану арқылы, бұл кванттық күй томографиясындағы сияқты осы кемшіліктерге ұшырайды: атап айтқанда, физикалық емес нәтижелер, әсіресе теріс ықтималдықтар. Мұнда POVM жарамды болмайды, себебі олар оң мәнді болмайды. Операторларды жарамды физикалық нәтижелермен шектеу үшін Байес әдістері, сондай-ақ тығыздық матрицасының максималды ықтималдықпен бағалау әдістерін қолдануға болады.
Not surprisingly, this suffers from the same pitfalls as in quantum state tomography: namely, non physical results, in particular negative probabilities. Here the will not be valid POVM's, as they will not be positive. Bayesian methods as well as Maximum likelihood estimation of the density matrix can be used to restrict the operators to valid physical results.
Кванттық процес томографиясы
Кванттық процестік томография (КПТ) белгісіз кванттық динамикалық процесті анықтаумен айналысады. Алғашқы тәсіл 1996 жылы ұсынылған және кейде стандартты кванттық процестік томография (SQPT) деп аталады, ол кванттық күйлер жиынын дайындауды және оларды процестен өткізуді, содан кейін кванттық күй томографиясын қолданып, нәтижедегі күйлерді анықтауды қамтиды. Басқа техникаларға қосымша жүйе көшірмесін қажет ететін анциллалық процестік томография (AAPT) және түйісуге негізделген процестік томография (EAPT) жатады. Жоғарыда аталған техникалардың барлығы кванттық динамиканы сипаттаудың жанама әдістері болып табылады, себебі олар процесті қалпына келтіру үшін кванттық күй томографиясын пайдалануды талап етеді. Керісінше, кванттық жүйелерді күй томографиясынсыз толық сипаттауға мүмкіндік беретін кванттық динамиканың тікелей сипаттауы (DCQD) сияқты тікелей әдістер де бар. Толық кванттық процестік томография үшін қажетті эксперименталды конфигурациялардың саны (күйге дайындықтар мен өлшемдер) жүйенің құрауыш бөлшектерінің санымен бірге экспоненциалды түрде өседі. Осылайша, жалпы алғанда, КПТ ірі масштабты кванттық жүйелер үшін орындалуы қиын міндет болып табылады. Алайда, әлсіз декогеренттік туралы болжам бойынша, кванттық динамикалық карта сирек кездесетін түрде бейнеленуі мүмкін. Сығымдалған кванттық процестік томография (CQPT) әдісі сығымдалған сенсорлау техникасын қолданады және кванттық динамикалық картаны толық емес өлшемдер жиынтығынан немесе сынақ күйі дайындамаларынан қалпына келтіру үшін сиректік туралы болжамды қолданады.