Estimation of physical quantities is at the core of most scientific research and the use of quantum devices promises to enhance its performances. In real scenarios, it is fundamental to consider that the resources are limited and Bayesian adaptive estimation represents a powerful approach to efficiently allocate, during the estimation process, all the available resources. However, this framework relies on the precise knowledge of the system model, retrieved with a fine calibration that often results computationally and experimentally demanding. Here, we introduce a model-free and deep learning-based approach to efficiently implement realistic Bayesian quantum metrology tasks accomplishing all the relevant challenges, without relying on any a-priori knowledge on the system. To overcome this need, a neural network is trained directly on experimental data to learn the multiparameter Bayesian update. Then, the system is set at its optimal working point through feedbacks provided by a reinforcement learning algorithm trained to reconstruct and enhance experiment heuristics of the investigated quantum sensor. Notably, we prove experimentally the achievement of higher estimation performances than standard methods, demonstrating the strength of the combination of these two black-box algorithms on an integrated photonic circuit. This work represents an important step towards fully artificial intelligence-based quantum metrology.


翻译:物理量的估算是大多数科学研究的核心,量子装置的使用有望提高其性能。在实际假设中,至关重要的是要考虑资源有限,而巴伊西亚适应性估算是有效分配所有可用资源的有力方法。然而,这一框架依赖于系统模型的精确知识,这种精确知识是经过精细校准后检索的,往往得出计算和实验性要求的结果。在这里,我们引入了一种无模型和深层次的学习基础方法,以有效执行现实的巴伊西亚量子计量学任务,不依赖系统上的任何优先知识,完成所有相关挑战。为了克服这一需要,一个神经网络直接接受实验数据培训,学习多参数巴伊西亚最新资料。然后,通过经过训练的强化学习算法提供的反馈,将该系统定在最佳工作点上,该算法是用来重建和加强所调查的量子传感器的实验性能。值得注意的是,我们实验性地证明了比标准方法更高的估计性能的实现,显示了这两种黑盒算法在综合光学电路上的结合强度。这一人工工作完全达到了一个重要的步骤。

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