[論文レビュー] Experimental test of Hardy's paradox on a five-qubit quantum computer

Soumya Das, Goutam Paul|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、5キュービットの超伝導量子コンピュータ上で、非局所性のハーディーのパラドックスの最初の実験的検証を報告する。非最大にエンタングルされた2キュービット状態がハーディーの式を破るのに対し、最大にエンタングルされた状態やプロダクト状態は破られない。本研究は、現在の量子ハードウェアにおける2キュービット系の非局所性を評価するためのパフォーマンス指標を確立する。

ABSTRACT

We test Hardy's paradox of non-locality experimentally on the IBM five-qubit quantum computer for the first time. The quantum circuit is constructed on superconducting qubits corresponding to the original Hardy's test of non-locality. Results confirmed the theory that any non-maximally entangled state of two qubits violates Hardy's Equations, whereas any maximally entangled state and product state of two qubits do not exhibit Hardy's non-locality. We also point out the difficulties associated with the practical implementation of any Hardy's paradox based quantum protocol and propose three performance measures for any two qubits of any quantum computer.

研究の動機と目的

• 実際の量子プロセッサを用いて、ハーディーの量子非局所性のパラドックスを実験的に検証すること。
• 非最大にエンタングルされた状態、最大にエンタングルされた状態、およびプロダクト状態という、異なる2キュービット状態がハーディーの非局所性条件下でどのように振る舞うかを調査すること。
• 現在のノイジィな中規模量子（NISQ）デバイスにおいて、ハーディーのパラドックスに基づくプロトコルを実装する際の実用的課題を特定すること。
• 2キュービット系の非局所性を評価するための3つのパフォーマンス指標を提案および定義すること。

提案手法

• 超伝導キュービットを用いて、元来のハーディーの非局所性の検証を実装する量子回路を設計すること。
• IBMの5キュービット量子プロセッサ上で、非最大にエンタングルされた状態、最大にエンタングルされた状態、およびプロダクト状態を含むさまざまな2キュービット状態を準備し、測定すること。
• 量子状態トモグラフィーと測定結果を用いて、ハーディーの式の破れを検証すること。
• 2キュービット系のパフォーマンスを評価するための3つのパフォーマンス指標—非局所性破れ確率、状態準備のフィデリティ、測定誤差率—を定義すること。
• 理論的予測と実際の量子ハードウェアでの観測結果との比較を、実験データを分析することで行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IBMの5キュービット量子コンピュータは、非最大にエンタングルされた2キュービット状態において、ハーディーの非局所性を成功裏に示すことができるか？
• RQ2 現在の量子ハードウェア上で、最大にエンタングルされた状態およびプロダクト状態は、ハーディーの非局所性テストにおいてどのように振る舞うか？
• RQ3 NISQデバイス上でハーディーのパラドックスに基づくプロトコルを実装する際の主な技術的課題は何か？
• RQ4 提案されたパフォーマンス指標は、実際の量子コンピュータ上の2キュービット系の非局所性を信頼性を持って評価できるか？

主な発見

• 実験により、非最大にエンタングルされた2キュービット状態がハーディーの式を破ることが確認され、理論的予測と整合的であった。
• 最大にエンタングルされた状態およびプロダクト状態はハーディーの非局所性を示さず、パラドックスの理論的境界が正当化された。
• 本研究では、現在の量子ハードウェアでハーディーのパラドックスを実現するにあたり、顕著なノイズとデ coherent が主な障害であることが特定された。
• 提案されたパフォーマンス指標は、現在の量子プロセッサにおける2キュービット系の非局所性を評価するための定量的フレームワークを提供する。
• ハードウェアの制限にもかかわらず、近い将来の量子コンピュータ上で基礎的量子パラドックスをテストすることが可能であることが示された。
• 量子状態トモグラフィーにより、準備された状態のフィデリティが確認され、実験結果の信頼性が裏付けられた。