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Statistical Inference of Quantum Measurements

研究課題

研究課題/領域番号 20K03774
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
研究機関豊橋技術科学大学 (2023)
京都大学 (2020-2022)

研究代表者

DALLARNO Michele  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50870052)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワードstatistical inference / quantum measurements / 2 designs / testing regions / Lorenz curve / conical approximations / John ellipsoid / data-driven inference / quantum inference / quantum measurement / quantum design / quantum devices / machine learning / regular simplices / SIC measurements
研究開始時の研究の概要

This research plan will produce analytical and numerical results on the relevant problem of the statistical inference of quantum measurements. It will also produce implementations of quantum algorithms for the machine learning of quantum measurement with the IBM Q quantum computer.

研究実績の概要

In the FY2023, I generalized my previous results on the statistical inference of quantum measurements, that were restricted to the qubit case, to the arbitrary dimensional case. This could be achieved by first characterizing inner and outer conical approximations of the range of arbitrary dimensional quantum measurements. Such approximations are tight, that is, they are maximal and minimal in volume among all conical approximatins, and are close, that is, the one is transformed into the other by a constant rescaling. I showed that any measurement that produces a given set of conditional probability distributions upon the input of a 2-design set of states, maximizes the Bayesian posterior probability distribution in the inferential process. I also showed how to apply the aforementioned results to the device independent testing of the statistical sufficiency of quantum measurements. I presented my results in 21 presentations, including keynote and invited speeches in international conferences including the Analytical and Combinatorial Methods in Quantum Information Thoery II (Edinburgh, UK, July 2023), Quantum Foundation workshop (Graz, Austria, August 2023), and ICAICTA (Lonbok, Indonesia, October 2023).

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

The project is progressing smoothly. Several papers have been published by me and collaborators on the topic.

M. Dall'Arno, F. Buscemi, T. Koshiba, Computing the quantum guesswork: a quadratic assignment problem, QIC 23, 0721 (2023); M. Dall'Arno, On the Measurement attaining the Quantum Guesswork, IEEE Trans. Inform. Theory 70, 2713 (2024); B. Avirmed, K. Niinomi, M. Dall'Arno, Adversarial guesswork with quantum side information, QIC 23, 1105 (2023)

M. Dall'Arno, On the role of designs in the data-driven approach to quantum statistical inference, arXiv:2304.13258; M. Dall'Arno, F. Buscemi, Tight conic approximation of testing regions for quantum statistical models and measurements, arXiv:2309.16153; M. Dall'Arno, A. Tosini, F. Buscemi, The signaling dimension in generalized probabilistic theories, arXiv:2311.13103

今後の研究の推進方策

The natural development of the present research project is in the device-independent approach to quantum resource theories. On the one hand, the device-independent approach to Quantum Theory dictates that experimental results should be interpreted without any assumption on the devices involved, and accordingly allows for the theory itself to be tested. On the other hand, the resource-theoretical approach to Quantum Theory is based on establishing a hierarchy among devices based on the ability of some devices to simulate other devices. I plan to extend and unify these two approaches, that so far have separately drawn a considerable interest by two distinct communities. To this aim, I will overcome many of the limitations of the state of the art in each field, in particular by
extending known results beyond the binary and two-dimensional case. As a result, I will
show how to certify, in a device-independent way, whether any given quantum device is
able of simulating any other given device, thus establishing a device-independent
hierarchy among devices based on the simulability criterion.

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (39件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 5件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 13件、 招待講演 11件) 備考 (1件) 学会・シンポジウム開催 (2件)

  • [雑誌論文] On the Measurement Attaining the Quantum Guesswork2024

    • 著者名/発表者名
      Dall’Arno Michele
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Information Theory

      巻: 70 号: 4 ページ: 2713-2719

    • DOI

      10.1109/tit.2023.3343676

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Adversarial guesswork with quantum side information2023

    • 著者名/発表者名
      Avirmed Baasanchimed、Niinomi Kaito、Dall'Arno Michele
    • 雑誌名

      Quantum Information and Computation

      巻: 23 号: 13&14 ページ: 1105-1118

    • DOI

      10.26421/qic23.13-14-3

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Computing the quantum guesswork: a quadratic assignment problem2023

    • 著者名/発表者名
      Dall'Arno, M; Buscemi, F; Koshiba, T
    • 雑誌名

      Quantum Information and Computation

      巻: 23 号: 9&10 ページ: 721-732

    • DOI

      10.26421/qic23.9-10-1

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The signaling dimension of physical systems2022

    • 著者名/発表者名
      Dall'Arno Michele
    • 雑誌名

      Quantum Views

      巻: 6 ページ: 66-66

    • DOI

      10.22331/qv-2022-08-25-66

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Guesswork of a Quantum Ensemble2022

    • 著者名/発表者名
      Dall'Arno Michele、Buscemi Francesco、Koshiba Takeshi
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Information Theory

      巻: 68 号: 5 ページ: 3139-3143

    • DOI

      10.1109/tit.2022.3146463

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Worst-case Quantum Hypothesis Testing with Separable Measurements2020

    • 著者名/発表者名
      Le Phuc Thinh, Michele Dall'Arno, Valerio Scarani
    • 雑誌名

      Quantum 4

      巻: 4 ページ: 320-320

    • DOI

      10.22331/q-2020-09-11-320

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Data-driven inference, reconstruction, and observational completeness of quantum devices2020

    • 著者名/発表者名
      Dall'Arno Michele、Buscemi Francesco、Bisio Alessandro、Tosini Alessandro
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 102 号: 6 ページ: 062407-062407

    • DOI

      10.1103/physreva.102.062407

    • NAID

      120007145960

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Explicit construction of optimal witnesses for input--output correlations attainable by quantum channels2020

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno, Sarah Brandsen, Francesco Buscemi
    • 雑誌名

      In print, Open Systems & Information Dynamics

      巻: 27

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Guesswork of a quantum ensemble2020

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno, Francesco Buscemi, Takeshi Koshiba
    • 雑誌名

      arXiv:2012.09350

      巻: N.A.

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [学会発表] Tradeoff relations between entropic quantities and their application in quantum information theory2024

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      IEICE IT meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] The signaling dimension and the no-hypersignaling principle2024

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Foundations
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] The quantum decoding attaining the minimum guesswork with single-qubit side information2024

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      IEICE IT meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Guesswork of quantum ensembles2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Memorial Workshop for Takeshi Koshiba
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum testing regions and the generalized Alberti-Ulhmann criterion2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information Technology (QIT) 49
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] The computation of the signaling dimension2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information Technology (QIT) 49
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Tight conic approximation of testing regions for quantum statistical models and measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Nagoya-KAIST workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Tight conic approximation of testing regions for quantum statistical models and measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Recent Advances in Quantum Mathematical Statistics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optimal classical simulation of physical systems2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Simulations and Quantum Walks
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A device-independent approach to quantum simulability2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Simulations and Quantum Walks
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bayesian Inference of quantum devices2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      ICAICTA
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] On the role of designs in the data-driven approach to quantum statistical inference2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information, Quantum Matter and Quantum Gravity
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Guesswork: a combinatorial instance of quantum hypothesis testing2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information, Quantum Matter and Quantum Gravity
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Verification2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      NTT
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Guesswork2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Graz University of Technology
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] On the Role of SIC Structures in the Quantum Inferential Process2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      The Quantum Reconstruction Program and Beyond
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bayesian Inference of Quantum Devices2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Pavia University, Italy
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum guesswork: a combinatorial instance of quantum hypothesis testing2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Analytical and Combinatorial Methods in Quantum Information Theory II
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum Guesswork2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Pavia University
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum guesswork -- A combinatorial instance of quantum hypothesis testing2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information Technology (QIT) 48
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Data-driven quantum inference -- An application of statistical inference to the self-calibration of quantum devices2023

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information Technology (QIT) 48
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Guesswork of quantum ensembles2022

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      13th KCIK-ICTQT Symposium on Quantum Information
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Minimally-committal quantum measurements2022

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Third Kyoto Workshop on Quantum Information, Computation, and Foundations
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Classical information storage in an n-level quantum system2022

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Nagoya University
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Guesswork of a quantum ensemble2022

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Second Kyoto Workshop on Quantum Information, Computation, and Foundation
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Bootstrapping quantum tomography by data-driven inference2021

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information Processing
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Data-driven inference of quantum devices2020

    • 著者名/発表者名
      Michele Dall'Arno
    • 学会等名
      Quantum Information, Computation, and Foundations
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [備考] Quantum Information group in TUT

    • URL

      https://micheledallarno.wordpress.com/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会・シンポジウム開催] Quantum Toyohashi international workshop on quantum information and quantum statistics2024

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会・シンポジウム開催] Third Kyoto Workshop on Quantum Information, Computation, and Foundations2022

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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