[論文レビュー] A quantum teleportation experiment for undergraduate students

S. Fedortchenko|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、IBM Quantum Experience（QE）のWebインターフェースを通じて、IBMの5キュービット量子プロセッサを用いて、学部学生向けの教育的量子もつれ実験を提示している。学生が実際に超伝導ハードウェア上で量子もつれプロトコルを実装・分析できることを示し、装置の制限にもかかわらず観測可能なもつれ保全度を達成しており、量子情報科学における実践的学習を可能にしている。

ABSTRACT

With the rapid progress of quantum information these recent years, it becomes more and more relevant to dedicate efforts in introducing this research topic to undergraduate students. However, as if in various fields of physics the theoretical learning is closely accompanied with experimental illustrations, such a teaching method can be expensive to organise for quantum information. We propose one way to circumvent these difficulties by using the recently made available 5-qubit quantum processor of IBM, in order to illustrate quantum information tasks, by actually implementing them on the superconducting chip through the web interface of the IBM Quantum Experience. We focus on the realization of a quantum teleportation protocol on this device, analyze the results and discuss the issues encountered, providing a complete analysis of this software as a pedagogical tool.

研究の動機と目的

• 学部学生が量子情報の概念を学ぶためのアクセスしやすく、低コストな方法を提供すること。
• 量子情報実験を教える際の高い実験コストと技術的複雑さの課題に対処すること。
• クラウドベースの量子プロセッサ（例：IBMのもの）を教育的量子もつれプロトコルに使用する可能性を示すこと。
• IBM Quantum Experienceを、量子もつれおよび関連する量子現象を説明する教育的ツールとして評価すること。

提案手法

• 実験は、IBM Quantum Experience（QE）のWebインターフェースを通じてアクセス可能なIBMの5キュービット超伝導量子プロセッサを用いる。
• 学生は、単一キュービットゲート（アダマール、パウリ、位相、Tゲート）と制御NOT（CNOT）ゲートを用いて、キュービットをもつれ状態にすることにより、量子もつれプロトコルを実装する。
• プロトコルは、特定の位相を持つ重ね合わせ状態に準備されたキュービット状態をもつれるように設計されており、量子ゲートのシーケンスによって導出される。
• 理論的予測された初期状態と、実際の量子プロセッサ上で8192回の回路実行によって得られた実験的結果を比較する。
• ボブのキュービットの密度行列を用いてもつれ保全度を評価するが、デバイスのノイズとデ coherent 現象の制限により、完全なベンチマークは不可能である。
• 実装には誤差解析と、実験結果に影響を与えるハードウェア制限の議論が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 学部学生は、クラウドインターフェースを通じて実際の量子プロセッサ上で実装することにより、量子もつれを効果的に学習できるか？
• RQ2 IBMの5キュービットプロセッサにおける量子もつれの性能は、理想的な理論的予測と比べてどうか？
• RQ3 近い将来の量子デバイスにおけるもつれ保全度に影響を与える主な実験的制限（例：デ coherent、ゲート誤差）は何か？
• RQ4 IBM Quantum Experienceは、量子情報教育において信頼性があり、教育的効果の高いツールとしてどれほど適しているか？
• RQ5 事前に実験的量子物理学の訓練がなくても、学生がアクセス可能な方法で量子もつれを実装・分析できるか？

主な発見

• 量子もつれプロトコルは、QEのWebインターフェースを介してIBMの5キュービット量子プロセッサ上で正常に実装され、学生が実際の量子挙動を観測できるようになった。
• アリスが準備した初期状態は |ϕᵢ⟩ = eⁱᵖⁱᐟ⁸(cos(π/8)|0⟩ + sin(π/8)|1⟩) と導出され、もつれの入力として使用された。
• ハードウェアのノイズとデ coherent にかかわらず、実験結果は測定可能なもつれ保全度を示しており、近い将来のデバイス上でのプロトコルの実現可能性を裏付けた。
• デバイスの制限により完全に計算できないが、保全度指標は定性的に分析され、プロトコルが観測可能な成功を達成したことが示された。
• IBM Quantum Experienceインターフェースは、8192ショットの回路実行を数分で実行可能であり、教室での利用に実用的である。
• 本研究は、クラウドベースの量子プロセッサが、もつれやもつれといったコアな量子情報科学の概念を説明するための効果的な教育的ツールとして機能できることを確認した。