While quantum state tomography (QST) remains the gold standard for benchmarking and verifying quantum devices, it requires an exponentially large number of measurements and classical computational resources for generic quantum many-body systems, making it impractical even for intermediate-size quantum devices. Fortunately, many physical quantum states often exhibit certain low-dimensional structures that enable the development of efficient QST. A notable example is the class of states represented by matrix product operators (MPOs) with a finite matrix/bond dimension, which include most physical states in one dimension and where the number of independent parameters describing the states only grows linearly with the number of qubits. Whether a sample efficient quantum state tomography protocol, where the number of required state copies scales only linearly as the number of parameters describing the state, exists for a generic MPO state still remains an important open question. In this paper, we answer this fundamental question affirmatively by using a class of informationally complete positive operator-valued measures (IC-POVMs) -- including symmetric IC-POVMs (SIC-POVMs) and spherical $t$-designs -- focusing on sample complexity while not accounting for the implementation complexity of the measurement settings. For SIC-POVMs and (approximate) spherical 2-designs, we show that the number of state copies to guarantee bounded recovery error of an MPO state with a constrained least-squares estimator depends on the probability distribution of the MPO under the POVM but scales only linearly with $n$ when the distribution is approximately uniform. For spherical $t$-designs with $t\geq 3$, we prove that only a number of state copies proportional to the number of independent parameters in the MPO is sufficient for a guaranteed recovery of any state represented by an MPO.


翻译:尽管量子态层析(QST)仍是基准测试和验证量子器件的黄金标准,但对于一般的量子多体系统,它需要指数级大量的测量和经典计算资源,即使对于中等规模的量子器件也显得不切实际。幸运的是,许多物理量子态通常表现出某些低维结构,这使得高效QST的开发成为可能。一个显著的例子是以有限矩阵/键维度的矩阵乘积算子(MPO)表示的态类,其中包括一维中的大多数物理态,其中描述态的独立参数数量仅随量子比特数线性增长。对于一个通用的MPO态,是否存在样本高效的量子态层析协议(所需态副本数量仅随描述态的参数量线性缩放),仍然是一个重要的开放性问题。在本文中,我们通过使用一类信息完备的正算子值测度(IC-POVM)——包括对称IC-POVM(SIC-POVM)和球面$t$-设计——来肯定地回答这一基本问题,重点关注样本复杂度,而不考虑测量设置的实现复杂度。对于SIC-POVM和(近似)球面2-设计,我们证明了在有约束最小二乘估计器下,保证MPO态恢复误差有界所需的态副本数量取决于MPO在POVM下的概率分布,但当分布近似均匀时,仅随$n$线性缩放。对于$t\\geq 3$的球面$t$-设计,我们证明仅需与MPO中独立参数数量成比例的态副本数量,即可保证恢复任何由MPO表示的态。

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