Quantum state tomography aims to estimate the state of a quantum mechanical system which is described by a trace one, Hermitian positive semidefinite complex matrix, given a set of measurements of the state. Existing works focus on estimating the density matrix that represents the state, using a compressive sensing approach, with only fewer measurements than that required for a tomographically complete set, with the assumption that the true state has a low rank. One very popular method to estimate the state is the use of the Singular Value Thresholding (SVT) algorithm. In this work, we present a machine learning approach to estimate the quantum state of n-qubit systems by unrolling the iterations of SVT which we call Learned Quantum State Tomography (LQST). As merely unrolling SVT may not ensure that the output of the network meets the constraints required for a quantum state, we design and train a custom neural network whose architecture is inspired from the iterations of SVT with additional layers to meet the required constraints. We show that our proposed LQST with very few layers reconstructs the density matrix with much better fidelity than the SVT algorithm which takes many hundreds of iterations to converge. We also demonstrate the reconstruction of the quantum Bell state from an informationally incomplete set of noisy measurements.


翻译:量子状态断层剖面图旨在估计量子机械系统的状况。 量子机械系统由微量图解描述, Hermitian正正正半确定性复杂矩阵, 以一系列状态测量为基础。 现有工作的重点是利用压缩遥感方法估计代表状态的密度矩阵, 其测量量只比成色全图所需的测量量少, 假设真实状态低。 一个非常受欢迎的估计状态的方法是使用 Singulal 值推进量算法( SVT) 。 在这项工作中, 我们提出了一个机器学习方法, 通过解开SVT 的迭代来估计 nqubit 系统的量子状态, 我们称之为Scade Qantum StateTommagraphy(LQST ) 。 由于仅仅是解动 SVT 无法确保网络的输出满足量子状态所需的限制, 我们设计和训练一个定制的神经网络, 其结构来自SVT 的迭层结构, 以满足要求的制约。 我们显示, 我们提议的LQST 和很少层的 nqual Stal construal construal constration, 我们从许多的Squltial 的Slationgal 开始从Slationxxxal 。

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