Quantum state discrimination in a <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi mathvariant="script">PT</mml:mi></mml:math> -symmetric system

厄米矩阵 量子 哈密顿量(控制论) 量子态 量子算法 物理 量子信息 量子力学 量子计算机 数学物理 数学 数学优化
作者
Dong-Xu Chen,Yu Zhang,Jun-Long Zhao,Qi-Cheng Wu,Yu-Liang Fang,Chui-Ping Yang,Franco Nori
标识
DOI:10.1103/physreva.106.022438
摘要

Nonorthogonal quantum state discrimination (QSD) plays an important role in quantum information and quantum communication. In addition, compared to Hermitian quantum systems, parity-time-($\mathcal{PT}$-)symmetric non-Hermitian quantum systems exhibit novel phenomena and have attracted considerable attention. Here, we experimentally demonstrate QSD in a $\mathcal{PT}$-symmetric system (i.e., $\mathcal{PT}$-symmetric QSD), by having quantum states evolve under a $\mathcal{PT}$-symmetric Hamiltonian in a lossy linear optical setup. We observe that two initially nonorthogonal states can rapidly evolve into orthogonal states and the required evolution time can even be vanishing provided the matrix elements of the Hamiltonian become sufficiently large. We also observe that the cost of such a discrimination is a dissipation of quantum states into the environment. Furthermore, by comparing $\mathcal{PT}$-symmetric QSD with optimal strategies in Hermitian systems, we find that at the critical value, $\mathcal{PT}$-symmetric QSD is equivalent to the optimal unambiguous state discrimination in Hermitian systems. We also extend the $\mathcal{PT}$-symmetric QSD to the case of discriminating three nonorthogonal states. The QSD in a $\mathcal{PT}$-symmetric system opens a new door for quantum state discrimination, which has important applications in quantum computing, quantum cryptography, and quantum communication.
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