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2026年7月1日水曜日

Experimental Quantum State Tomography Using SIC-POVM

 AbstractQuantum state tomography is a technique for determining an unknown quantum state. One approach to implementing it is through a Positive Operator-Valued Measure (POVM). In this method, many identical copies of an unknown quantum state are prepared and measured to reconstruct the state. A POVM provides a more general framework for quantum measurement than the standard projective measurement on an orthonormal basis. In this article, we implement a SIC-POVM, one particular class of POVMs, for a single qubit on an IBM Quantum processor (ibm_kingston). The experimental results demonstrate that several unknown quantum states can be reconstructed with high accuracy.

🟢 Overview of SIC-POVM
SIC-POVM stands for "Symmetric Informationally Complete Positive Operator-Valued Measure". The general theory of POVMs is described in References [1], [2], and [3], while Reference [3] provides a detailed discussion of SIC-POVMs. For a quantum system of dimension d, a SIC-POVM consists of d2 projection operators,  
        E= |ψi><ψi|/d
and  satisfies the following formula:
        |<ψij>|= 1/(d+1)   (i ≠ j)
Here, |ψi> represents a pure quantum state on the Bloch sphere.

For a single qubit (d = 2), the SIC-POVM consists of four state vectors. The squared inner product between any pair of distinct vectors is therefore 1/3. A specific example is shown in Fig.1. For convenience, it is customary to choose the first state as |ψ1> = |0>, and the four vertices corresponding to these state vectors form a geometrically elegant regular tetrahedron inscribed in the Bloch sphere.


🟢 Implementing Quantum State Tomography
An unknown quantum state cannot be reconstructed using only the conventional Z-basis measurement. For example, if measurements along the Z axis yield |0> and |1> with equal probabilities of 50%, multiple quantum states are consistent with those results. Additional measurements along the X and Y axes are therefore required.

A SIC-POVM, in contrast, can be regarded as a special measurement device with four output channels. When a large number of identical copies of an unknown qubit are sent into this device, each output channel records a certain number of detection events. The relative frequencies (probability distribution) represent the overlap between the unknown quantum state and each of the four SIC-POVM state vectors. If the state corresponding to the i-th SIC-POVM element is denoted by |ψi>, the measurement probability becomes as follows:
        P= (1/2)|<ψi|Unknown state >|2

A particularly attractive feature of SIC-POVM tomography is that these four probabilities directly determine the Cartesian coordinates (X,Y,Z) of the unknown state on the Bloch sphere through the following equations:
X = √2(2P2 - P3 - P4)
Y = √6(P3 - P4)
Z = 4P1 - 1

🟢 Performing SIC-POVM Measurements on an IBM Quantum 
If a known quantum state is simply treated as an unknown one, reconstructing it using the SIC-POVM formulas presents no theoretical difficulty. Implementing the procedure on an actual quantum computer or a quantum circuit simulator, however, requires some additional consideration.

On a real quantum processor, the probability is not obtained by directly calculating the inner product between the state vector and a measurement vector. Instead, many identical copies of the quantum state are prepared and measured repeatedly. The measurement probabilities are then estimated from the observed frequencies according to Born's rule.

Most quantum computers, however, can perform only projective measurements in the computational (Z) basis. As shown in Fig. 1, three of the four SIC-POVM measurement directions point diagonally toward the southern hemisphere of the Bloch sphere rather than along the Z axis.

To overcome this limitation, an appropriate unitary rotation is applied immediately before measurement so that the desired SIC-POVM measurement direction is mapped onto the Z axis. A standard Z-basis measurement is then performed, yielding the measurement probability corresponding to that SIC-POVM element. The present experiment follows exactly this procedure.

🟢 Two Quantum States Treated as Unknown
In our experiment, the two known quantum states shown in Fig. 2 were deliberately treated as if they were unknown. Both are pure states located on the surface of the Bloch sphere. In Case 1, the state lies on the equator with a phase angle of 0. In Case 2, the state is located in the southern hemisphere with a phase angle of π/3. We expected that the state in Case 1 would be easier to reconstruct than that in Case 2.

It should be emphasized that the parameters used to define these "unknown" states (θ and φ) were not used anywhere in the reconstruction process. Only the four SIC-POVM measurement directions were used. Consequently, the same procedure would work equally well for a genuinely unknown input quantum state.

🟢 Reconstruction Results
Table1 summarizes the results obtained for both cases using the Qiskit simulator and the IBM Quantum processor (ibm_kingston). The table lists the Cartesian coordinates (X,Y,Z) of the original quantum states treated as unknown, together with the measured probabilities (P1, P2, P3, P4) obtained from both the simulator and the real quantum hardware.

The reconstructed Cartesian coordinates (X, Y, Z) deserve particular attention. As expected, the quantum state in Case 1 was reproduced almost perfectly by the IBM Quantum processor. The state in Case 2 was also reconstructed with a high degree of accuracy, demonstrating that SIC-POVM-based quantum state tomography can successfully identify unknown single-qubit states even on present-day quantum hardware.

【References on POVM】
[1] Peter Y. Lee, Huiwen Ji, Ran Cheng, "Quantum Computing and Information", 2nd Edition, Polaris QCI Publishing, 2025.
(especially, 3.5 Application to Quantum State Tomography, and Chapter12(Density Operators and Quantum Channels))

[2] Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Version 13, Cambridge University Press, 2023.
(2.2.6 POVM measurements)

[3] John Watrous, "General formulation of quantum information" in IBM Quantum Platform Learning.
https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/general-formulation-of-quantum-information/general-measurements/introduction

2026年6月30日火曜日

SIC-POVMによる量子状態トモグラフィに関する実験

【要旨】量子状態トモグラフィは、未知の量子ビットの量子状態を突き止めるための概念である。その実現方法の一つとして、POVMがある。それは、同一の未知の量子状態を多数用意し、それらを測定することでその量子状態を明らかにする。POVMは、通常の正規直交基底への射影測定よりも広い、量子測定の一般的な枠組みである。ここではその一種であるSIC-POVMと呼ばれる測定を、1-qubitについて、IBM Quantum Computer実機で実施した。その結果、かなり高い精度で未知の量子状態を特定できることが分かった。

🟢 SIC-POVMの概要
 これは、長い名称「Symmetric Informationally Complete - Positive Operator-Valued Measure」の略称である。POVMの一般的な理論は、参考文献[1][2][3]などに示されている。特に、[3]にはSIC-POVMの詳細な説明がある。d次元の量子系では、SIC-POVMはd2個の射影演算子 Ei=|ψi><ψi|/d で構成され、次式が成立するように作られている。以下の|ψi>は、ブロッホ球上の純粋状態を表す状態ベクトルである。
|<ψij>|2=1/(d+1)   (i ≠ j)

 1-qubitの場合は、d=2なので、SIC-POVMは4個の状態ベクトルで構成され、そのどの2つのベクトル同士の内積の2乗も全て1/3となる。その具体例をFig.1に示す。計算を簡単にするため、4つの状態ベクトルのうち、1番目を|ψ1>=|0>とするのが通例である。これら4つの状態ベクトルの頂点は、幾何学的に美しい、内接正4面体を構成している。

🟢 量子状態トモグラフィの実現
 未知の量子状態を突き止めるトモグラフィは、通常のZ軸測定だけでは実現できない。例えば、Z軸測定で|0>が50%、|1>が50%の確率で得られた場合、複数の候補が考えられるので、さらに、X軸測定とY軸測定を行う必要がある。
 これに対して、SIC-POVMは、4つの出力チャネルを持つ特別な測定器と考えられる。この測定器に、同一の未知の量子ビットを大量に投入すると、結果として、4つの出力に出現カウントが得られる。それらのカウントの比率(確率分布)が、"未知状態ベクトルとSIC-POVMの各頂点に対応する状態ベクトルとの重なりの度合い"を示す。すなわち、SIC-POVMの頂点iに対応する状態を|ψi>とすると、測定結果としての確率Piは以下のような内積計算になる。
Pi=(1/2)|<ψi|未知状態>|2
 そして、この確率を用いて、未知状態のブロッホ球のデカルト座標(X, Y, Z)は以下の公式で求められるのが注目すべき点である。
X=√2(2P- P- P4)
Y=√6(P- P4)
Z=4P- 1

🟢 Quantum Computer実機を使ったSIC-POVM測定
 特定の既知の量子状態を、未知の状態だと見做した場合、SIC-POVM測定によって、その量子状態を特定する(復元する)理論的計算は、特に問題がないであろう。しかし、それを、量子コンピュータ実機、または量子回路シミュレータで行うには少し工夫がいる。実機では、ある状態ベクトルと測定ベクトルとの内積を直接計算して確率を求めるわけではない。多数の同一の量子状態を繰り返し測定すると、各測定結果の出現頻度から、ボルンの法則により、測定確率を推定できる。
 しかしながら、一般的な量子コンピュータでは、ハードウェアが直接行える測定は計算基底(Z基底)での射影測定である。一方、SIC-POVMの4つの測定方向のうち3つは、Fig.1に示したとおり、ブロッホ球上で南半球へ向かう斜め方向にある。そこで、SIC-POVMの各測定方向がZ軸に一致するように、測定直前に適切なユニタリ演算(回転)を施す。その後に通常のZ基底測定を行うことで、そのSIC-POVM要素に対応する測定確率を得る。今回も、これに従って測定を行った。

🟢 未知量子状態と見做した2つの量子状態
 今回の実験では、Fig.2に示す2つの既知の量子状態を未知状態と見做して測定した。いずれも、ブロッホ球面にある純粋状態である。Case1では、それは赤道上にあり、位相角は0である。Case2では、南半球上にあり、位相角はπ/3である。Case1の方が、Case2よりも量子状態の特定は容易であろうと予想された。

 なお、以下の測定では、”未知の量子状態"として設定した情報(θとφ)は全く使用していない。SIC-POVMの4つの測定方向だけを使っている。従って、"真の未知状態"が入力された場合も同様に特定できる。

🟢 SIC-POVM測定による未知量子状態の復元結果
 これら2つのケースについて、QiskitシミュレータとIBM Quatnum実機(ibm_kingston)による測定結果をTable1に示す。未知状態に設定した状態のデカルト座標(X,Y,Z)が示されている。また、シミュレータと実機の測定に基づく確率が、(P1, P2, P3, P4)として示されている。それに基づいて復元したデカルト座標に注目していただきたい。実機では、予想通り、Case1の未知状態がほぼ完璧に復元できている。また、Case2の未知状態も、かなり高い精度で特定された。

【POVMに関する参考文献】
[1] Peter Y. Lee, Huiwen Ji, Ran Cheng, "Quantum Computing and Information", 2nd Edition, Polaris QCI Publishing, 2025.
(especially, 3.5 Application to Quantum State Tomography, and Chapter12(Density Operators and Quantum Channels))

[2] Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Version 13, Cambridge University Press, 2023.
(2.2.6 POVM measurements)

[3] John Watrous, "General formulation of quantum information" in IBM Quantum Platform Learning.
https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/general-formulation-of-quantum-information/general-measurements/introduction