[論文レビュー] Experimental Activation of Strong Local Passive States with Quantum Information

Nayeli A. Rodríguez-Briones, Hemant Katiyar+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、核磁気共鳴（NMR）を用いて、強い局所的被動（SLP）もつれ ground 状態からゼロ点エネルギーを局所的に活性化する、量子エネルギー転送（QET）の初回実験的実現を提示している。局所的操作と古典的通信（LOCC）を適用することで、もともとは局所的にエネルギーを放出できない系からエネルギーを抽出し、多粒子系における量子もつれを介したエネルギー活性化の理論的予測を確認した。

ABSTRACT

Strong local passivity is a property of multipartite quantum systems from which it is impossible to extract energy locally. Surprisingly, if the strong local passive state displays entanglement, it could be possible to locally activate energy density by adding classical communication between different partitions of the system, through so-called "quantum energy teleportation" protocols. Here, we report both the first experimental observation of local activation of energy density on an entangled state and the first realization of a quantum energy teleportation protocol using nuclear magnetic resonance on a bipartite quantum system.

研究の動機と目的

• 強い局所的被動（SLP）量子状態における局所的にアクセスできないエネルギーの実験的活性化を目的とする。
• 制御された量子系において量子エネルギー転送（QET）プロトコルを実現することを目的とする。
• もつれがグローバルエネルギーの転送なしに局所的エネルギー抽出を可能にすることを検証することを目的とする。
• 核磁気共鳴（NMR）技術を用いたユニタリQETプロトコルの実装可能性を示すこと。
• もつれ ground 状態におけるゼロ点エネルギー密度の活性化の実験的証明を提供すること。

提案手法

• 実験は、空間平均を用いて準備された擬似純粋状態の3量子ビットNMR系を用い、4番目の量子ビットは最大に混合状態に保たれる。
• ハミルトニアンはゼーマン項（HZ）とスピン-スピン結合項（HJ）に分解され、Jjk値を調整して相互作用系を模倣する。
• 複雑なユニタリ操作を単一量子ビット回転と自然ハミルトニアン下での時間発展に分解することで、完全にユニタリなQETプロトコルを実装する。
• 単一量子ビット操作にはGRAPEパルスを、複数量子ビット相互作用には時間遅延付き時間発展を最適化して用いる。
• 観測可能でない項 ⟨ZB⟩ と ⟨XAXB⟩ を測定するために、Ry(π/2)回転を用いて非観測量を測定可能な量にマッピングする。
• 状態トモグラフィーにより、擬似純粋状態の fidelity が 0.9996 であることが確認され、高精度なプロトコル実行が保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子情報プロトコルを用いて、強い局所的被動（SLP）状態からエネルギーを局所的に活性化できるか？
• RQ2 制御された量子系において量子エネルギー転送（QET）は実験的に実現可能か？
• RQ3 もつれがグローバルエネルギーの転送なしに局所的エネルギー抽出を可能にするか？
• RQ4 QETプロトコルは、もつれ ground 状態からゼロ点エネルギー密度を効果的に抽出できるか？
• RQ5 NMR系において完全にユニタリなQETプロトコルを実装・検証できるか？

主な発見

• 実験により、強い局所的被動状態からの局所的エネルギー抽出が成功し、LOCCによるエネルギー活性化の理論的予測が裏付けられた。
• 3量子ビットNMR系を用いて、量子エネルギー転送（QET）プロトコルの初回実験的実現が達成された。
• 局所的および環境的ノイズを超えてエネルギーが抽出され、系内を通過するエネルギー転送は測定不能であったため、プロトコルの非局所的性質が検証された。
• 準備された擬似純粋状態のfidelityは0.9996と測定され、QETプロトコルの高精度な実装が保証された。
• 測定結果を基に局所的ユニタリ操作を制御することで、エネルギー活性化が達成され、量子もつれが本来アクセス不可能なエネルギーを可能にする役割を実証した。
• 実験結果により、制御された条件下でもつれ ground 状態におけるゼロ点エネルギー密度の活性化が可能であることが確認され、量子熱力学における画期的な進展を示した。