[論文レビュー] Entanglement Metrology Using a Joint Readout of Superconducting Qubits

Jerry M. Chow, L. DiCarlo+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、単一のジョイントリードアウトチャネルを用いて、集合平均の相関を直接測定することで、超伝導キュービットにおけるエンタングルメントメトロロジーを実証した。単一ショットの忠実度がわずか約10%であるにもかかわらず、約95%の正確性と約98%の精度を達成した。この手法により、完全な量子状態トモグラフィーが可能となり、CHSH不等式の破れが最大2.61±0.04に達し、concurrenceの下限が約88%に達する高忠実度のエンタングルド状態を検出できた。

ABSTRACT

Accurate and precise detection of multi-qubit entanglement is key for the experimental development of quantum computation. Traditionally, non-classical correlations between entangled qubits are measured by counting coincidences between single-shot readouts of individual qubits. We report entanglement metrology using a single detection channel with direct access to ensemble-averaged correlations between two superconducting qubits. Following validation and calibration of this joint readout, we demonstrate full quantum tomography on both separable and highly-entangled two-qubit states produced on demand. Using a subset of the measurements required for full tomography, we perform entanglement metrology with ~95% accuracy and ~98% precision despite ~10% fidelity of single measurements. For the highly entangled states, measured Clauser-Horne-Shimony-Holt operators reach a maximum value of 2.61+/-0.04 and entanglement witnesses give a lower bound of ~88% on concurrence. In its present form, this detector will be able to resolve future improvements in the production of two-qubit entanglement and is immediately extendable to 3 or 4 qubits.

研究の動機と目的

• 測定クロスターゲットと低単一ショット忠実度のため、固体系における多キュービットエンタングルメント測定に課題が生じる状況を克服すること。
• 個々のキュービット測定の一致計数に依存せず、qubit-qubit相関を直接アクセスできる、スケーラブルな単一チャネル検出手法を開発すること。
• ジョイントリードアウトが、超伝導回路における分離状態および高エンタングル状態の両方を特徴付ける信頼できるツールとして有効であることを検証すること。
• 将来の二キュービットエンタングルメント生成技術の向上を検出可能とし、3〜4キュービットへの拡張性を実現すること。

提案手法

• 二つのトロモンキュービットが共有されるマイクロ波トランスミッションライン共振器として機能するジョイント検出器に結合された、回路量子電磁力学アーキテクチャを用いる。
• キュービット状態に依存する共振器周波数のシフトを用い、同調検波により1つの出力信号に集団的キュービット状態をエンコードする。
• 測定モデルをキャリブレーションし、個々のキュービットリードアウトを回避して、単一の検出チャネルから集合平均相関を直接抽出する。
• ジョイント測定データを用いて量子状態トモグラフィーとエンタングルメント・ウィtnessを適用し、密度行列を再構成し、concurrenceの下限を評価する。
• XおよびZ軸に沿ったパウリ測定を用いてCHSH作用素を適用し、非局所性をテストし、古典的境界を超えるエンタングルメントの確認を行う。
• マスターエンジン方程式のシミュレーションと照合し、実験的期待値が分離状態およびエンタングル状態の理論的境界と一致することを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低単一ショット忠実度であるにもかかわらず、単一のジョイントリードアウトチャネルが、超伝導キュービットにおける多キュービットエンタングルメントを正確かつ正確に測定できるか？
• RQ2 固体系キュービットシステムにおけるジョイント検出スキームを用いて、エンタングルメント・ウィtnessやCHSH不等式をどれほど信頼性高く適用できるか？
• RQ3 集団的相関を捉える唯一の測定チャネルを用いて、完全な量子状態トモグラフィーを実行できるか？
• RQ4 ジョイントリードアウト手法は、多キュービット系にどのようにスケーリング可能であり、将来のエンタングルメント忠実度の向上を検出可能か？

主な発見

• ジョイントリードアウトは、個々の単一ショット測定の忠実度がわずか約10%であるにもかかわらず、エンタングルメントメトロロジーにおいて約95%の正確性と約98%の精度を達成した。
• 分離状態および高エンタングル状態の両方の二キュービット状態に対して、完全な量子状態トモグラフィーが成功裏に実施され、ターゲットベル状態との忠実度が90%を超えた。
• 最大のCHSH作用素値は2.61±0.04に達し、古典的分離境界を強く破り、高いエンタングルメント忠実度を示した。
• エンタングルメント・ウィtnessはconcurrenceに約88%の下限を提供し、生成された状態に顕著なエンタングルメントが存在することを確認した。
• 進化状態（例：θ = ±90°）ではエンタングルメントを正しく検出でき、一方で進化Aにおける分離状態も正しく識別された。実験データと理論値の残差は約2%以内に一致した。
• ジョイントリードアウトは即座に3〜4キュービットへ拡張可能であり、ハードウェアの再設計なしに、将来の二キュービットエンタングルメント生成技術の向上を検出可能である。