[論文レビュー] Experimental Demonstration of the No Hiding Theorem Using a 5 Qubit Quantum Computer

Amolak Ratan Kalra, Shiroman Prakash+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、IBMの5キュービット量子プロセッサを用いて、ZX記法とカテゴリカル代数を用いた回路可視化により、量子ノーハイディング定理の実験的検証を実施している。結果は、失われた量子情報が補助キュービット上の局所ユニタリ操作により完全に回復可能であることを確認し、超伝導量子アーキテクチャにおいても定理の妥当性を示している。

ABSTRACT

Quantum no-Hiding theorem, first proposed by Braunstein and Pati [Phys. Rev. Lett. 98, 080502 (2007)], was verified experimentally by Samal et al. [Phys. Rev. Lett. 186, 080401 (2011)] using NMR quantum processor. Till then, this fundamental test has not been explored in any of the experimental architecture. Here, we demonstrate the above no-hiding theorem using the IBM 5Q quantum processor. Categorical algebra developed by Coecke and Duncan [New J. Phys. 13, 043016 (2011)] has been used for better visualization of the no-hiding theorem by analyzing the quantum circuit using the ZX calculus. The experimental results confirm the recovery of missing information by the application of local unitary operations on the ancillary qubits.

研究の動機と目的

• 超伝導量子コンピューティングプラットフォームにおいて、量子ノーハイディング定理を実験的に検証すること。
• 補助キュービット上の局所操作を用いて、失われた量子情報を回復できることを示すこと。
• カテゴリカル代数とZX記法を用いて、量子回路におけるノーハイディングプロセスの直感的な可視化を実現すること。
• NMRアーキテクチャにとどまらず、汎用量子コンピューティングプラットフォームにおけるノーハイディング定理の実験的検証を拡張すること。

提案手法

• IBM 5Q量子プロセッサを用いて、ノーハイディングプロトコルを実験的に実装すること。
• ZX記法を用いて、情報回復のための量子回路を表現および分析すること。
• CoeckeとDuncanが提唱したカテゴリカル代数を用いて、量子操作の図式的フレームワークを提供すること。
• 補助キュービット上での局所ユニタリ操作を実装し、環境に失われた情報を回復すること。
• 状態準備、エンタングルメント、環境への情報転送を含むノーハイディングプロセスをシミュレートする量子回路の設計。
• 実験的出力と理想的理論予測を比較し、情報回復の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導量子プロセッサにおいて、ノーハイディング定理を実験的に検証できるか？
• RQ2 補助キュービット上の局所操作を用いて、失われた量子情報をどの程度回復できるか？
• RQ3 ZX記法は、量子回路におけるノーハイディングプロセスの可視化および分析にどの程度効果的か？
• RQ4 NMRシステムを超えた汎用量子コンピューティングアーキテクチャにおいても、ノーハイディング定理は成立するか？

主な発見

• 実験結果は、環境に失われた量子情報が、補助キュービット上の局所ユニタリ操作により完全に回復可能であることを確認した。
• ZX記法の適用により、ノーハイディングプロセスの明確な図式的表現が可能となり、量子回路の解釈可能性が向上した。
• IBM 5Qプロセッサは、ノーハイディング定理を成功裏に実証し、超伝導量子アーキテクチャへの検証を拡張した。
• 回復された状態の忠実度は、理想的理論的結果と一致しており、ノーハイディングメカニズムの正しさが確認された。