1 弱値増幅法を用いた増幅法の 統計的推測の限界 田中咲 山本直樹 2 本研究の目的と概要 ←こっち こっち 事後選択 事後選択の 成功確率と 精度の トレ ドオフ トレードオフ 3 2状態形式とAAV弱測定 2状態形式 事前状態・事後状態の2状態 で量子系の記述を行うこと 事前 事後の 状態で「事象 事前・事後の2状態で「事象」 を挟んで、事前事後の2状態 から推測する 測定装置 事象 AAV弱測定 2状態に挟まれた「事象」が von Neumann型の間接測定 測定結果が弱値となる 時間変化 Y. Aharonov and L. Vaidman, arXiv: 0105101v2 Y. Aharanov and D. Rohrlich, Quantum Paradoxes (Wiley-VCH, Weinheim, 2005) , 4 Aharonov Albert, Aharonov, Albert Vaidmannの弱測定 弱測定の流れ 被測定系 最も重要な特徴 装置系 事後選択 “網”を通る か否か測定 弱値 時間 弱値の定義 : A w f Ai f i Y.Aharanov and D.Rohrlich Quantum Paradoxes (Wiley-VCH, Weinheim, 2005) , Y. Aharonov, D. Z. Albert, and L. Vaidman, Phys. Rev. Lett. 60, 1351 (1988). 通った時だけ 針の値を読み 取る 5 1 間接測定 1.間接測定 被測定系と測定装置系を想定する。 被測定系と測定装置系を想定する 被測定系の物理量に関する情報を測定装置系を介して 得る。 得る 相互作用から、被測定物理量を推測する 装置系 装 被測定系 定 J.v.ノイマン 量子力学の数学的基礎 (みすず書房 東京 1957) 石坂智 小川朋宏 河内亮周 木村元 林正人 量子情報科学ウィンタースクール (東北大 2011) 6 1 間接測定とvon Neumann型ハミルトニアン 1.間接測定とvon i e 相互作用ユニタリー 相互作用後の量子状態 e ig z p a 0 0 a1 1 z p dx x x dx a 0 e ip x 0 a1e ip x 1 x dx a 0 x 0 a1 x 1 x J.v.ノイマン 量子力学の数学的基礎 (みすず書房 東京 1957) 石坂智 小川朋宏 河内亮周 木村元 林正人 量子情報科学ウィンタースクール (東北大 2011) 7 2 AAV弱測定モデル 2.AAV弱測定モデル 事後選択後の合成系の状態 弱値の定義 : 相互作用後の合成系の状態 合成系の始状態 f f f dx e x i x i / Aˆ pˆ A w f Ai f i ˆ pˆ i x x d dx f 1 i / A f i f i dx e i / A dx x w x x pˆ A w x テーラー展開は 妥当なのか 本研究では高次 究 高 の展開組み込ん で議論 Y.Aharanov and D.Rohrlich Quantum Paradoxes (Wiley-VCH, Weinheim, 2005) , 8 3 純粋状態へ事後選択を実現する測定の条件 3.純粋状態へ事後選択を実現する測定の条件 9 弱測定の実験例 実験は光学実験で行われることが多い レーザー光のy方向成分を測定装置系とした。 ザ 方向成 を 定装 系 偏光を被測定系とした。 複屈折の物質を用いて相互作用を生成する。 事前選択状態: cos( ) sin( ) 事前選択状態: cos( ) sin( ) 装置の波動関数: 1 2 1 / 4 y2 exp 2 y 4y P.R.L 66,1107 (1991) N. W. M. Ritchie, J. G. Story, and Randall G. Hulet 10 光学実験による弱測定の実験結果 (a)事前選択後事後選択が一致 4 , 4 弱値は0 ⇒ 並進なし (b)事前選択後事後選択が直交から ややずれたとき 4 , 3 4 2 . 2 10 2 弱値は-45.5 ⇒ 19倍 ( )事前選択後事後選択が直交 (c)事前選択後事後選択が直交 4 , 3 4 弱値発散する ⇒ 直交する場合は、事後選択が成 り立たない。 P.R.L 66,1107 (1991) N. W. M. Ritchie, J. G. Story, and Randall G. Hulet 並進 並進の大きさ きさ 11 弱測定の応用:弱値増幅法 x 弱値が無限大に大きくなることを精密計測に利用する。 d x d Re A w , p d p d 2 Im A 測定装置 O. Hosten and P. O P Kwiat, Kwiat Science 319, 787 (2008). P. B. P B Dixon, Di D. D J.J Starling, S li A. A N N. Jordan, J d and J. C. Howell, Phys. Rev. Lett. 102, 173601 (2009). w var( p ) 12 弱値増幅の問題点 弱値増幅は統計ノイズを拡大している可能性がある。 x x Re A , p w 増幅 p 2 Im A どっち? w var( p ) x x 統計による評価 知りたい値と真値の差 平均2乗誤差 ノイズの効果を考慮するため、統計理論を利用する 14 問題設定と量子推定量 Bornの確率則 ? POVM 量子 推定量 状態 積をとってTr 分布関数 ? 推定量 15 量子Cramer Rao不等式とSLD Fisher情報量 量子Cramer-Rao不等式とSLD-Fisher情報量 推定量の平均2乗誤差 距離 16 SLD Fisherによる下限を達成する適応測定 SLD-Fisherによる下限を達成する適応測定 射 射影測定 定 推定 推定値か ら決めた 射影測定 推定 十分な量の状態を用意しておき、 適応測定を繰り返すこと真値に近づく ・ ・ ・ H. Nagaoka, Asymptotic Theory of Quantum Statistical Inference ed. M. Hayashi (Singapore, World Scientific, 2005 ) pp. 125-32 (reprinted)、A. Fujiwara and H. Nagaoka, Phys. Rev. A. 201, 119 (1995)、A. Fujiwara, J. Phys. A: Math. Gen,39, 12489 (2002) 17 AAV弱測定による状態変化の流れ 装置系の状態の確率 的な状態変としても理 解できる。 測定装置系 被測定系 事前選択状態 始状態 相互作用 ただし POVM 確率的 事後選択状態 18 問題設定:比較する2状態と推定限界 被測定系 事前選択状態 POVM 事後選択状態 測定装置系 始状態 19 各状態のSLD Fisher情報量 各状態のSLD-Fisher情報量 事後選択行う前 事後選択行った後 ただし 20 結果:事後測定後の装置系状態のSLD Fisher 結果:事後測定後の装置系状態のSLD-Fisher 特にGauss分布 I SLD の場合 事後選択した場合のSLD-Fisher情報量 1 ˆ z 1 : 2 4 w 2 2 2 2 / / 2 e / ˆ z w 1 e / 1 / e 2 2 2 / / 2 1 e / 2 / 2 ˆ z w 1 e 2 事後 事後選択しない場合 I SLD : Fisher情 情報量 1 2 任意の事前事後選択 における情報量 事前事後選択を行わな い場合の情報量 21 事後測定後の装置系状態のSLD Fisher情報量 事後測定後の装置系状態のSLD-Fisher情報量 任意の純粋状態に対してSLD-Fisher情報量が計算できる として 2 † ˆ ˆ † ˆ ˆ B B B B I SLD : 4 2 †ˆ ˆ †ˆ B B ˆ B B 事後選択の実現確率 共通 p ( ) : Bˆ † Bˆ 事後選択の成功確率が低い場合に情報量が増える。 =>実現確率を加味したらどうなるか? 22 事後測定後の装置系状態のSLD Fisher 事後測定後の装置系状態のSLD-Fisher 成功確率を加味した情報量は、事後選択を行わない状 態の情報量よりも小さくなる 事後 後選択の の成功確率 率 ×Fisher情 情報量 が成り立つ Gaussの場合 23 事後選択による損失の考慮(不等式と証明) が成り立つ 証明の概略: 結論: 事後選択より推定精度の下限達成は遅くなる 下限の達成が遅れることを考慮すると、 事後選択は実行的に情報を増やさない 24 漸近論的意味合い ・・・ 事後選択 ・・・ 25 まとめ 弱測定理論を用いた信号増幅法に対し、SLD-Fisher情 報量を用いて議論をした. 論 事後選択のよって失われる情報を考慮した。 事後選択を行う前の状態数が等しくなるようにしたもとで, SLD-Fisher情報量比較した. 状態数が等しい場合には, 状態数が等 合 事後 択 事後選択によって情報は増え 情報 増 ないことが明らかとした. × = ABL形式 (Aharanov Bergman Lebowitzk Formula) (Aharanov-Bergman-Lebowitzk 事前選択状態と事後選択状態 による条件付き確率 時間の進行 Y.Aharanov and D.Rohrlich Quantum Paradoxes (Wiley-VCH, Weinheim, 2005) , 26 27 弱測定増幅法の例 SHEL
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