Variational approach to quantum state tomography based on maximal entropy formalism

文献情報

出版日 2022-11-08
DOI 10.1039/D2CP04493E
インパクトファクター 3.676
著者

Rishabh Gupta, Manas Sajjan, Sabre Kais


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要旨

Quantum state tomography is an integral part of quantum computation and offers the starting point for the validation of various quantum devices. One of the central tasks in the field of state tomography is to reconstruct, with high fidelity, the quantum states of a quantum system. From an experiment on a real quantum device, one can obtain the mean measurement values of different operators. With such data as input, in this report we employ the maximal entropy formalism to construct the least biased mixed quantum state that is consistent with the given set of expectation values. Even though, in principle, the reported formalism is quite general and should work for an arbitrary set of observables, in practice we shall demonstrate the efficacy of the algorithm on an informationally complete (IC) set of Hermitian operators. Such a set possesses the advantage of uniquely specifying a single quantum state from which the experimental measurements have been sampled and hence renders the rare opportunity not only to construct a least-biased quantum state but even replicate the exact state prepared experimentally within a preset tolerance. The primary workhorse of the algorithm is reconstructing an energy function which we designate as the effective Hamiltonian of the system, and parameterizing it with Lagrange multipliers, according to the formalism of maximal entropy. These parameters are thereafter optimized variationally so that the reconstructed quantum state of the system converges to the true quantum state within an error threshold. To this end, we employ a parameterized quantum circuit and a hybrid quantum-classical variational algorithm to obtain such a target state, making our recipe easily implementable on a near-term quantum device.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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