[論文レビュー] Demonstration of Entropic Noncontextual Inequality Using IBM Quantum Computer

Suvadeep Roy, Bikash K. Behera+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、五量子ビットのIBM Quantumコンピュータを用いて、四準位量子系におけるエントロピー的非コンテキストゥアル不等式を実証した。共同シャノンエントロピーを用いることで、非コンテキストゥアルな隠れ変数理論の破れが実験的に確認され、超伝導量子プロセッサにおける量子コンテキストゥアルの直接的実験的証明が得られた。

ABSTRACT

In quantum information theory, entropic inequalities act as the necessary and sufficient conditions to noncontextuality. Here, we demonstrate the experimental realization of entropic noncontextual inequality in a four-level quantum system, by implementing in the five-qubit IBM quantum computer. Using joint Shannon entropy, we obtain the desired result verified by our experiment.

研究の動機と目的

• エントロピー的非コンテキストゥアル不等式が量子系で実験的に検証可能であるかを検討すること。
• 従来の状態依存的不等式を超えて、エントロピーがコンテキストゥアルを検出する役割を果たすかを調査すること。
• 実際の量子プロセッサ（IBM Quantumの五量子ビット系）を用いて非コンテキストゥアル性のテストを実装・検証すること。
• 共同シャノンエントロピーが高次元量子系におけるコンテキストゥアルを検出する強固な指標であることを示すこと。

提案手法

• 量子ゲートを用いて特定の量子状態を準備することで、五量子ビットのIBM Quantumプロセッサ上に四準位量子系（三量子チットに類似）を実装すること。
• 複数のコンテキストにわたる測定結果の不確実性を定量化するために、共同シャノンエントロピーを用いること。
• 非コンテキストゥアルな隠れ変数理論に基づいて導かれた、検証可能な条項としての特定のエントロピー的不等式を設計すること。
• 異なる基底での量子状態の準備と測定を行い、エントロピーに基づく不等式を評価すること。
• 非コンテキストゥアルモデルが予測する理論的上限と観測されたエントロピー値を比較すること。
• 量子回路シミュレーションと誤り低減技術を用いて、実験的結果の忠実度と信頼性を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エントロピー的非コンテキストゥアル不等式は、超伝導量子プロセッサで実験的に実現可能か？
• RQ2 共同シャノンエントロピーは四準位量子系におけるコンテキストゥアルを効果的に検出できるか？
• RQ3 実際の量子デバイスにおけるエントロピー的非コンテキストゥアル不等式の破れ度合いはどの程度か？
• RQ4 非コンテキストゥアルモデルの理論的予測と実験結果はどのように比較できるか？

主な発見

• 実験により、エントロピー的非コンテキストゥアル不等式の破れが成功裏に確認され、量子系のコンテキストゥアル性が裏付けられた。
• 観測された共同シャノンエントロピー値が、非コンテキストゥアルな隠れ変数理論が予測する上限を超えていた。
• 複数の状態準備と測定コンテキストにわたり、破れが一貫して観測された。
• 量子回路シミュレーションと誤り低減を用いた検証により、実験的結果の信頼性が確保された。