[論文レビュー] Demonstration of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware

Kazuki Ikeda|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、IBMのクラウドベースの量子コンピュータを用いて、実際の超伝導量子ハードウェア上で量子エネルギー転送（QET）を実証した。局所的量子操作と古典的通信（LOCC）に加え、量子エラー緩和技術を適用することで、2キュービット系を介したエネルギーの転送に成功し、理論的予測と整合する結果が得られ、現在のノイジィな中規模量子（NISQ）技術でもQETが実現可能であることが裏付けられた。

ABSTRACT

Teleporting physical quantities to remote locations is a remaining key challenge for quantum information science and technology. Quantum teleportation has enabled the transfer of quantum information, but teleportation of quantum physical quantities has not yet been realized. Here we report the realization and observation of quantum energy teleportation on real superconducting quantum hardware. We achieve this by using several IBM's superconducting quantum computers. The results are consistent with the exact solution of the theory and are improved by the mitigation of measurement error. Quantum energy teleportation requires only local operations and classical communication. Therefore our results provide a realistic benchmark that is fully achievable with current quantum computing and communication technologies.

研究の動機と目的

• 実際の量子ハードウェア上で量子エネルギー転送（QET）を実験的に検証すること。QETはもつれと古典的通信を用いて遠隔地のエネルギーを抽出するプロトコルである。
• QETが現在のノイジィな中規模量子（NISQ）デバイス、特に超伝導キュービットを用いて実現可能であることを示すこと。
• 任意のIBM量子デバイスで再現可能な、オープンソースのQET用量子回路を開発・公開すること。
• 測定エラー緩和を適用・非適用した状態で、複数のIBM量子プロセッサ（ibmq lima、ibmq jakarta、ibm cairo）におけるQETの性能をベンチマークすること。
• より大きな量子ネットワークや多体系に適用可能なスケーラブルで普遍的なQETフレームワークを確立すること。

提案手法

• 調整可能なパラメータhとkを有する2キュービットハミルトニアンを用いた最小限のQETモデルの実装。hとkは基底状態のもつれとエネルギー分布を制御する。
• 1キュービット（アリス）での局所的測定、その結果の古典的通信、および条件付き操作を用いてエネルギーを他方のキュービット（ボブ）に転送する量子回路プロトコルの設計。
• 実際の量子ハードウェア上での期待値測定におけるノイズ由来エラーを低減するため、測定エラー緩和技術の適用。
• ibmq lima、ibmq jakarta、ibm cairoプロセッサからの実験結果を、qasmシミュレータを用いた解析的解およびシミュレーションと比較。
• もつれやエネルギーの状態に応じた異なるパラメータセット（h,k）を複数用いて、プロトコルのロバストネスと一貫性を検証。
• 量子回路とデバイスのプロパティへのリアルタイムアクセスを公開することで、再現性と透明性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の超伝導量子プロセッサ上で量子エネルギー転送が実験的に実現可能か？
• RQ2 測定エラー緩和は、NISQデバイス上でのQET期待値の忠実度と正確性にどのように影響するか？
• RQ3 実際の量子ハードウェアからの実験結果は、QETの正確な理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ4 現在の世代の量子ハードウェア上で、低深さ回路（深さ ≤ 6）を用いてQETプロトコルを実装可能か？
• RQ5 QETプロトコルは、より大きな量子ネットワークや多体系にスケーラブルかつ一般化可能か？

主な発見

• IBMのibmq lima、ibmq jakarta、ibm cairo超伝導量子プロセッサ上で、ハードウェアへのリアルタイムアクセスを用いてQETが成功裏に実証された。
• ibmq limaにおけるエラー緩和結果では、(h,k) = (1, 0.2)の条件下で⟨E0⟩ = 0.9423 ± 0.0032が得られ、解析的値の0.9806に非常に近い値であった。
• (h,k) = (1, 1)の場合、ibmq limaにおけるエラー緩和済み⟨E0⟩は0.6560 ± 0.0031であり、解析的値の0.7071と強い一致を示した。
• エラー緩和なしの結果では理論値から顕著なずれが見られ、(h,k) = (1, 0.2)の条件でibmq limaでは⟨E0⟩ = 0.9049 ± 0.0017が得られ、エラー緩和の必要性が明確に示された。
• 複数のデバイスにわたり一貫性のある結果が得られ、ibm cairoにおけるエラー緩和済み⟨H1⟩および⟨V⟩の値は、全テストパラメータ（h,k）で解析的期待値とよく一致した。
• 本研究は、QETがもつれを事前に持つ基底状態を活用し、局所的量子操作と古典的通信（LOCC）のみで遠隔系からエネルギーを抽出可能な普遍的プロトコルであることを確認した。