[論文レビュー] NMR GHZ

Raymond Laflamme, Emanuel Knill+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 1997

Biofield Effects and Biophysics被引用数 70

ひとこと要約

本論文は、トリクロロエチレン分子の核スピンを用いた核磁気共鳴（NMR）を用いて、三量子ビットのグリーンバーガー＝ホーン＝ザイルェンベルグ（GHZ）もつれ状態 |000⟩+|111⟩ の実験的準備を示した。状態トモグラフィーにより状態の忠実度が確認され、量子情報処理におけるマルチ量子ビットもつれの分野において重要な前進を遂げた。

ABSTRACT

We describe the creation of a Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state of the form |000>+|111> (three maximally entangled quantum bits) using Nuclear Magnetic Resonance (NMR). We have successfully carried out the experiment using the proton and carbon spins of trichloroethylene, and confirmed the result using state tomography. We have thus extended the space of entangled quantum states explored systematically to three quantum bits, an essential step for quantum computation.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子計算に不可欠な要件である、三量子ビットへのもつれ量子状態の探索を拡張すること。
• 制御された物理系において、真正の三量子ビットGHZ状態 |000⟩+|111⟩ の準備を実証すること。
• 量子状態トモグラフィーを用いて状態を検証し、もつれ状態の高忠実度な準備を保証すること。
• NMRを基盤とする量子情報システムにおいて、複雑なもつれ状態の生成と検証のための体系的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• トリクロロエチレンのプロトンおよび炭素の核スピンを、NMR量子プロセッサにおける三量子ビットとして用いた。
• 初期状態の準備およびもつれ生成のためのユニタリ操作を実行するためのラジオ周波数パルス列を適用した。
• 積層状態から超位置 |000⟩+|111⟩ を生成するための制御されたユニタリ進化を用いた。
• 最終状態の密度行列を再構成するために、測定基底の集合を用いて量子状態トモグラフィーを実施した。
• 再構成された密度行列を分析し、GHZ状態の存在と忠実度を検証した。
• 状態の分離不能性と理想のGHZ状態との忠実度を確認することで、もつれの存在を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核スピンを用いたNMRシステムにおいて、三量子ビットGHZ状態を実験的に実現できるか？
• RQ2 状態トモグラフィーによって測定された、準備された三量子ビットもつれ状態の忠実度は何か？
• RQ3 液体状態NMRプラットフォームにおいて、三量子ビット系のもつれはどのように検証され、特徴づけられるか？
• RQ4 二量子ビットを越えるNMRベースの量子状態のスケーリングにおける実験的制限は何か？

主な発見

• プロトンおよび炭素の核スピンを用いたトリクロロエチレンにおいて、三量子ビットGHZ状態 |000⟩+|111⟩ が成功裏に準備された。
• 状態トモグラフィーにより、実験的状態の理想のGHZ状態に対する忠実度が確認され、もつれの検証がなされた。
• 本実験により、NMRシステムにおけるもつれ状態の準備が三量子ビットへ体系的に拡張されたことが示された。
• 結果から、NMRは複雑なマルチ量子ビットもつれ状態の生成と検証に実用的であることが示された。