[論文レビュー] Complete Self-Testing of a System of Remote Superconducting Qubits

Simon Storz, Anatoly Kulikov+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、1700万回の試行でCHSH S値2.236を達成するなど、初めての完全なデバイス非依存のリモート超伝導キュービットの自己検証を実証した。99％の信頼水準で、ベル状態のfidelityが少なくとも58.9％、測定fidelityが少なくとも89.5％であることを証明した。これにより、デバイス内部構造に関する仮定なしに、安全な分散量子計算が可能となる。

ABSTRACT

Self-testing protocols enable the certification of quantum systems in a device-independent manner, i.e. without knowledge of the inner workings of the quantum devices under test. Here, we demonstrate this high standard for characterization routines with superconducting circuits, a prime platform for building large-scale quantum computing systems. We first develop the missing theory allowing for the self-testing of Pauli measurements. We then self-test Bell pair generation and measurements at the same time, performing a complete self-test in a system composed of two entangled superconducting circuits operated at a separation of 30 meters. In an experiment based on 17 million trials, we measure an average CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) S-value of 2.236. Without relying on additional assumptions on the experimental setup, we certify an average Bell state fidelity of at least 58.9% and an average measurement fidelity of at least 89.5% in a device-independent manner, both with 99% confidence. This enables applications in the field of distributed quantum computing and communication with superconducting circuits, such as delegated quantum computing.

研究の動機と目的

• 安全な分散量子技術のための重要なステップとして、リモート超伝導キュービットのデバイス非依存の自己検証を可能にすること。
• 超伝導回路の自己検証プロトコルにおける局所性と検出の曇りを両方閉じること。
• 超伝導系におけるパウリ測定の自己検証の理論的枠組みを構築すること。
• デバイス内部構造に関する仮定なしに、エンタングル状態の準備と測定操作の高精度な自己検証を達成すること。
• 30メートルの距離を有する実世界の超伝導量子ネットワークにおける自己検証の実用的妥当性を示すこと。

提案手法

• 超伝導キュービットにおけるパウリ測定の自己検証のための新しい理論的枠組みを開発し、デバイス非依存の自己検証を測定プロセスへと拡張した。
• 空間的隔たりを有する測定設定を用いた局所性の曇りを閉じるためのループフリーベルテストを実装し、ノード間の古典的通信が不可能であることを保証した。
• 高効率なマイクロ波検出器と非線形パーセルフィルタを用いて、キュービット読み出しのfidelityを向上させることで、検出の曇りを閉じた。
• 信頼できる乱数生成器と同期された測定イベントを用いて、1700万回のベルテスト試行を実施し、公平なサンプリングを確保した。
• 観測された相関からのみ、CHSH不等式に基づくノイズに強い自己検証解析を適用し、量子状態および測定fidelityを証明した。
• 信頼区間推定（参考文献[60]による）を用いて、99％の信頼水準で、状態および測定fidelityのデバイス非依存の境界を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部デバイス動作に関する仮定なしに、リモート超伝導キュービットのシステムが完全にデバイス非依存の方法で自己検証可能であるか。
• RQ2 超伝導回路におけるパウリ測定の自己検証を可能にする理論的枠組みは何か。
• RQ3 30メートルの分離を有する実世界の超伝導量子ネットワークにおいて、高精度なエンタングルメントと測定を自己検証できるか。
• RQ4 実験的ノイズと有限なサンプルサイズに対して、自己検証プロトコルは超伝導系においてどの程度耐性を示せるか。
• RQ5 超伝導キュービットを用いて、1回の実験で状態準備と測定の両方をデバイス非依存に自己検証することが可能か。

主な発見

• 1700万回の試行において、平均CHSH S値が2.236に達し、量子の境界を超えて非局所性を確認した。
• 99％の信頼水準で、少なくとも58.9％のベル状態fidelityが証明され、ソースに関する仮定なしに高品質なエンタングル状態生成を示した。
• 99％の信頼水準で、少なくとも89.5％の測定fidelityが証明され、信頼性の高い一貫性のある測定操作を示した。
• 自己検証プロトコルは、局所性と検出の曇りの両方を成功裏に閉じ、証明が真にデバイス非依存であることを保証した。
• 結果は、超伝導回路を用いたデバイス非依存の量子プロトコル（例えば、委任型量子計算）の実現可能性を裏付けた。
• 開発された理論により、超伝導系におけるパウリ測定の自己検証が可能となり、このプラットフォームにおけるデバイス非依存自己検証の重要な空白を埋めた。