Optimal Gaussian measurements for phase estimation in single-mode Gaussian metrology /

우리 학부의 오창훈 학생, 정현석 교수는 Karlsruhe Institute of Technology의 이창협 박사, C. Rockstuhl 교수, 고등과학원의 김재완 교수, 나현철 교수, 이수용 박사 등과 양자 위상 계측을 위한 최적화된 가우시안 측정 방법들을 찾아냈다. 양자 매개 변수 추정에서의 핵심적인 문제는 추정 오류의 궁극적인 하한에 도달할 수 있는 최적의 측정 장치를 찾는 것이다. 저자들은 가우시안 환경에서 가우시안 입력 상태를 이용하는 단일 모드 위상 추정에 있어서 가우시안 측정이 최적의 측정 방법이 될 수 있는지에 대한 문제를 다루었다. 그 결과 입력 상태의 변위(displacement)와 조여진 정도(squeezing) 그리고 열적 상태에 따라 최대의 피셔 정보(Fisher information)를 주는 세 가지 가우시안 측정을 찾아내었다. 호모다인 측정(homodyne measurement)이 변위된 열적 상태(displaced thermal states)와 조여진 진공 상태(squeezed vacuum states)에 대해서 최적의 측정인 것을 보였고, 이를 제외한 상태에 대해서는 가우시안 측정이 최적이 될 수 없다는 것을 보였다. 그리고 가우시안 측정이 아닌 입력 상태에 대해서는 최적의 측정을 위해서는 XP+PX의 기저로의 투영에 해당하는 측정 장치가 요구되는 것을 증명하였다. 연구 결과는 1월 28일 npj Quantum Information (IF 9.206)에 발표되었다.

The central issue in quantum parameter estimation is to find out the optimal measurement setup that leads to the ultimate lower bound of an estimation error. We address here a question of whether a Gaussian measurement scheme can achieve the ultimate bound for phase estimation in single-mode Gaussian metrology that exploits single-mode Gaussian probe states in a Gaussian environment. We identify three types of optimal Gaussian measurement setups yielding the maximal Fisher information depending on displacement, squeezing, and thermalization of the probe state. We show that the homodyne measurement attains the ultimate bound for both displaced thermal probe states and squeezed vacuum probe states, whereas for the other single-mode Gaussian probe states, the optimized Gaussian measurement cannot be the optimal setup, although they are sometimes nearly optimal. We then demonstrate that the measurement on the basis of the product quadrature operators XP + PX, i.e., a non-Gaussian measurement, is required to be fully optimal.

저자: Changhun Oh(서울대), Changhyoup Lee, Carsten Rockstuhl(Karlsruhe Institute of Technology), Hyunseok Jeong(서울대), Jaewan Kim, Hyunchul Nha, and Su-Yong Lee(고등과학원)

npj Quantum Information (2019)5:10

https://doi.org/10.1038/s41534-019-0124-4