[Jul 10, 2014] 김윤호 교수 연구실 - Fundamental Bounds in Quantum Measurement for Estimating Quantum States

[Jul 10, 2014] 김윤호 교수 연구실 - Fundamental Bounds in Quantum Measurement for Estimating Quantum States

Phys. Rev. Lett. 113, 020504 (2014)

고전물리학의 관점에서는 측정을 통해 물리 시스템에 대한 정보를 얻더라도 측정을 하는 행위가 물리 시스템에 영향을 주지 않는다. 하지만, 양자물리학의 관점에서는 측정을 통해 양자시스템에 대한 정보를 얻게 되면 그에 대한 반작용으로 양자상태가 불가피하게 변하게 된다. 이 때, 상태가 변하는 정도는 양자측정을 통하여 얻어낸 정보의 양이 많아질수록 커지는 상호교환 관계가 존재한다. 양자측정과정에서의 또 다른 중요한 상호교환 관계는 측정을 통해 얻은 정보와 측정 되돌림성에도 존재하는데, 측정 되돌림성은 양자측정을 측정 전의 상태로 복원할 수 있는 확률을 의미한다. 이 때, 측정 되돌림성은 측정과정에서 얻은 정보의 양이 커짐에 따라 감소한다.  
지금까지는 얻어낸 정보의 양과 상태 교란의 관계, 그리고 정보의 양과 측정 되돌림성의 관계에 대하여 독립적으로 연구해왔으나, 이번 연구를 통하여 실제로 이 세 가지의 개념이 매우 밀접하게 연관되어 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 즉, 최소한의 상태 교란으로 가장 많은 정보를 얻어내는 최소교란측정은 최대의 측정 되돌림확률을 가지며 가장 많은 정보를 얻어내는 최대되돌림측정에 해당하지만, 그 역은 성립하지 않음을 실험적으로 보임으로써 상태교란과 정보획득 사이의 관계가 측정되돌림성과 정보획득 사이보다 더 좁은 개념임을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 양자측정에 대한 근본적인 이해에 도움을 주는 것뿐만 아니라 다양한 양자정보 프로토콜을 구현하는 데 필요한 실용적인 기준을 제시할 것으로 기대한다.

 Quantum measurement unavoidably disturbs the state of a quantum system if any information about the system is extracted. Recently, the concept of reversing quantum measurement has been introduced and has attracted much attention. Numerous efforts have thus been devoted to understanding the fundamental relation of the amount of information obtained by measurement to either state disturbance or reversibility. Here, we experimentally prove the trade-off relations in quantum measurement with respect to both state disturbance and reversibility. By demonstrating the quantitative bound of the trade-off relations, we realize an optimal measurement for estimating quantum systems with minimum disturbance and maximum reversibility. Our results offer fundamental insights on quantum measurement and practical guidelines for implementing various quantum information protocols.