[論文レビュー] Measuring the Mermin-Peres magic square using an online quantum computer

A. Dikme, N. Reichel+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2020

Quantum Mechanics and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、公開アクセス可能でオンライン上の5キュービット量子コンピュータ上で、メルミン＝ペレスの魔方陣コンテキスト性テストの初の実装を示した。2キュービット系における逐次的・非破壊的測定を用いて、実験は実在的かつ非コンテキスト性モデルを約28標準偏差で破った。これは、現在のNISQデバイスに著しいノイズが存在するにもかかわらず、量子力学の非古典的性質を確認するものである。

ABSTRACT

We have implemented the six series of three commuting measurement of the Mermin-Peres magic square on an online, five qubit, quantum computer. The magic square tests if the measurements of the system can be described by physical realism (in the EPR sense) and simultaneously are non-contextual. We find that our measurement results violate any realistic and non-contextual model by almost 28 standard deviations. We also find that although the quantum computer we used for the measurements leaves much to be desired in producing accurate and reproducible results, the simplicity, the ease of re-running the measurement programs, and the user friendliness compensates for this fact.

研究の動機と目的

• 公開アクセス可能な量子コンピュータを用いて、メルミン＝ペレスの魔方陣を用いた量子コンテキスト性と実在性のテストを行う。
• オンライン量子コンピューティングプラットフォームを通じた複雑な量子コンテキスト性実験の実行可能性と正確性を評価する。
• 現在のノイズの多い中間スケール量子（NISQ）デバイスが、状態に依存しないコンテキスト性テストを実現する性能を評価する。
• ユーザーフrndlyでリモートアクセス可能な量子ハードウェアが、特別な実験室インfraストラクチャなしに、先端的な基礎的量子物理学実験を可能にすることを示す。

提案手法

• 3×3の2キュービットパウリ観測量から成るメルミン＝ペレスの魔方陣を、逐次的・非破壊的測定を用いて5キュービットのオンライン量子コンピュータ上で実装した。
• 6つの測定系列（魔方陣の各行または各列に対応）を実行し、各測定系列では3つの可換な測定を実施した。測定結果は±1に制限された。
• 測定間の状態保存のため、アーキテクチャにエンタングルされたアシスタントキュービットを用いた量子非破壊（QND）測定技術を採用した。
• 各回路に対して通常8000～10000ショットの複数回の実行を通じて測定結果を収集し、平均結果ベクトルと標準偏差を統計解析で算出した。
• 古典的に許容されるすべての結果ベクトルの凸包を、デローニ三角形分割と制約付き非線形最適化を用いて構築し、測定結果ベクトルに最も近い点を特定した。
• 測定結果ベクトルと凸包上の最近傍点とのユークリッド距離を計算し、標準偏差球を用いて正規化することで、モデル破れの統計的有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公開可能なオンライン量子コンピュータ上で、メルミン＝ペレスの魔方陣コンテキスト性テストを成功裏に実装できるか？
• RQ2 現在のノイズの多い中間スケール量子（NISQ）デバイスは、コンテキスト性に関する量子力学的予測とどの程度整合性を持つ結果を出力するか？
• RQ3 現実世界のノイズのある量子コンピューティング環境において、実在的かつ非コンテキスト性モデルに対する統計的破れはどの程度顕著か？
• RQ4 オンライン量子コンピュータのシンプルさとアクセスのしやすさは、基礎的量子実験におけるハードウェアの欠陥を補うのに十分か？

主な発見

• 実験は、任意の実在的かつ非コンテキスト性モデルに対して約27.8標準偏差の統計的破れを達成し、古典的凸包からの距離は0.4029であった。
• 標準偏差球の半径は0.0145として計算され、測定不確実性の保守的推定値が得られた。
• 約10～30％のプログラム実行で、デ coherent 化、ゲート不正確性、読み取り誤差のため、量子予測と一致しない結果が得られた。これは、現在のNISQデバイスにおけるノイズの大きさを示している。
• ハードウェアの欠陥にもかかわらず、結果は量子力学を強く支持し、局所的実在的かつ非コンテキスト性モデルを排除するものであった。
• 本研究は、ノイズがあるもののオンライン量子コンピュータが、コンテキスト性のような基礎的量子現象のテストに十分であることを確認した。
• オンライン量子プラットフォームのユーザーフレンドリさ、再利用可能性、リモートアクセス性が、基礎的物理学実験における技術的制限を顕著に相殺している。