[論文レビュー] Experimental detection of microscopic environments using thermodynamic observables

Ivan Henao, Raam Uzdin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、クラウジウスの不等式やグローバル・パassing性などの熱力学的制約の破れを活用して、量子系における隠れた微視的環境を検出する実験的手法を提案する。IBMの量子プロセッサ上で特定の観測量の平均値を測定することにより、全状態トモグラフィーを必要とせずに、非ユニタリなダイナミクス（環境との結合を示す）を診断できることを示しており、4キュービットまでの系においてスケーラビリティが確認された。

ABSTRACT

Modern thermodynamic theories can be used to study highly complex quantum dynamics. Here, we experimentally demonstrate that the violation of thermodynamic constraints allows to detect the coupling of a quantum system to a hidden environment. By using the IBM quantum superconducting processors, we perform thermodynamic tests to detect a qubit environment interacting with a system composed of up to four qubits. The experiments are complemented by theoretical findings that show efficient scalability of the tests with respect to system size. Hence, they may be useful to detect an open system dynamics in situations where other methods (e.g. quantum state tomography) are practically infeasible.

研究の動機と目的

• 大規模な量子デバイスにおける量子状態トモグラフィーの限界を克服するため、熱力学的観測量を用いて、オープン量子系における微視的環境結合を検出可能なスケーラブルで実験的に実現可能な手法を開発すること。
• 大規模量子デバイスにおける量子状態トモグラフィーの限界を克服するため、熱力学的観測量を用いて、オープン量子系における微視的環境結合を検出可能なスケーラブルで実験的に実現可能な手法を開発すること。
• クラウジウスの不等式などの熱力学的制約の破れ（例：クラウジウスの不等式）が、非ユニタリで環境に起因するダイナミクスの信頼できる指標であることを示すこと。
• 超伝導キュービットを用いてIBM Quantum Experienceプラットフォーム上で、この手法を実験的に検証すること。
• 平均観測量値に基づく熱力学的テストが、フラクチュエーション関係のような軌道ベースの手法よりも実用的であることを示すこと。

提案手法

• 初期熱状態 $\rho_s$ の対数の負の値である観測量 $\mathcal{B} = -\ln(\rho_s)$ を用い、クラウジウスの不等式に基づく熱力学的制約 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$ を定義する。これはユニタルな進化に対して成り立つ。
• 系の進化後に観測量 $\mathcal{B}$ の平均値の変化 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle$ を測定し、その違反を検出することで、非ユニタル（非ユニタリ）なダイナミクスを特定する。
• パassingな観測量 $\mathcal{F}_\alpha$ を用いたグローバル・パassing性制約を適用し、熱漏れを検出する。$\Delta\langle\mathcal{F}_\alpha\rangle < 0$ であれば環境結合が存在することを示す。
• 初期熱状態を準備し、制御された操作で系を進化させる量子回路を用いて、IBMの5キュービット超伝導プロセッサ（MelbourneおよびEssex）上でテストを実装する。
• 理論的結果（Huang et al., 2020）を活用し、必要な測定回数が系サイズに対して多項式的に増加することを保証することで、スケーラビリティを実現する。
• 熱力学的資源理論の制約と比較し、資源理論の不等式が破られない場合でも、グローバル・パassing性テストが環境を検出できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全状態再構成を必要とせずに、熱力学的制約を用いて量子系における微視的環境結合を検出可能か？
• RQ2 クラウジウスの不等式やグローバル・パassing性制約の破れは、量子系に隠れた環境が存在することをどのように示唆するか？
• RQ3 どのような状況下で、平均観測量値に基づく熱力学的テストが、環境結合検出において標準的な資源理論の不等式を上回るか？
• RQ4 限られたキュービット数とコherー次性を有する近位量子プロセッサ上で、これらのテストを実験的に実現可能か？
• RQ5 測定コストと系サイズの観点から、このような熱力学的診断手法のスケーラビリティはどの程度か？

主な発見

• IBMの5キュービットプロセッサ上で、クラウジウスの不等式 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$ の破れが実験的に観測され、環境結合に起因する非ユニタリなダイナミクスが示された。
• グローバル・パassing性制約に基づく熱漏れテストは、$2.3 \lesssim \delta \lesssim 3.8$ の範囲で環境結合を検出できた。これは、熱力学的資源理論の不等式が破られない場合でも成立した。
• 測定回数が系サイズに対して多項式的に増加するため、より大きな系へのスケーリングが可能である。
• テストは自己完結的であり、古典的シミュレーションや全トモグラフィーを必要とせず、大規模デバイスでは現実的でない手法を回避する。
• 対称な状態の交換によって資源理論の制約が環境を検出できなかった場合でも、グローバル・パassing性テストは熱漏れを正常に同定した。
• 結果から、熱力学的観測量が、フラクチュエーション関係のような軌道ベースの手法に比べ、量子デバイスにおけるエラー診断のための強固で低コストな代替手段であることが確認された。