[論文レビュー] Preserving entanglement during weak measurement demonstrated with a violation of the Bell-Leggett-Garg inequality

T. White, Mutus, J. Y.+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、超伝導キュービットを用いたハイブリッドベル＝レッグェット＝ガルグ不等式（BLGI）実験を通じて、弱測定下でも量子もつれが保存されることを示している。空間的もつれ（CHSH）と時間的弱測定を組み合わせることで、~2.5のBLGI違反が達成され、最小限の測定反作用のもとで非古典的相関が確認された。実験的忠実度は最適化された断続的CZゲートとスピンエコーにより向上した。

ABSTRACT

Weak measurement has provided new insight into the nature of quantum measurement, by demonstrating the ability to extract average state information without fully projecting the system. For single qubit measurements, this partial projection has been demonstrated with violations of the Leggett-Garg inequality. Here we investigate the effects of weak measurement on a maximally entangled Bell state through application of the Hybrid Bell-Leggett-Garg inequality (BLGI) on a linear chain of four transmon qubits. By correlating the results of weak ancilla measurements with subsequent projective readout, we achieve a violation of the BLGI with 27 standard deviations of certainty.

研究の動機と目的

• 空間的もつれと時間的弱測定を統合した1つの実験で、局所実在論と量子力学の整合性を検証すること。
• レッグェット＝ガルグ不等式における「不器用な測定」の抜け穴を回避するため、弱測定を用いてもつれキュービットへの測定反作用を最小限に抑えること。
• パルスシーケンスの最適化とデ coherent 効果の低減により、弱測定下でも量子もつれを保持すること。
• 弱測定下での非古典的振るまいの印である、強固なベル＝レッグェット＝ガルグ不等式（BLGI）の違反を達成すること。
• 最大もつれ忠実度を基準としてCHSH相関を用いて理論的限界と実験的性能をベンチマークすること。

提案手法

• CHSH型の空間的もつれとアーキテクチャキュービットにおける弱測定を組み合わせることで、局所実在論とマクロ実在論を同時に検証するハイブリッドベル＝レッグェット＝ガルグ不等式（BLGI）を構築した。
• ベル状態キュービットへの測定反作用を最小限に抑えるために、ORBITプロトコルを用いて最適化されたパrametricな制御Z（CZ）ゲートを用いて弱測定を実装した。
• パルスシーケンス中にスピンエコーパルスを適用し、位相崩壊をキャンセルし、コherenCeを維持した。これにより初期の|Ψ⁺⟩状態が|Ψ⁻⟩に変換されたが、BLGIの結果に変化は生じなかった。
• 広帯域パラメトリック増幅器（IMPA）を用いて信号対雑音比を向上させ、読み取り時間の短縮を図り、測定忠実度を向上させた。
• 弱測定と状態準備を用いて、1回の実験ランで全3つのLG測定を実施し、逐次的測定反作用を回避した。
• qubit固有のデ coherent 効果や非理想性を考慮し、最大CHSH違反に一致する角度（必ずしもπ/4ではない）に基づいて検出器の角度をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱測定下でももつれが保存されつつ、ベル＝レッグェット＝ガルグ不等式が違反可能か？
• RQ2 デ coherent 効果や測定誤差などの実験的不完全性が、BLGI違反の大きさにどの程度影響を及えるか？
• RQ3 アーキテクチャキュービットの測定強度が、主なベルキュービットにおけるもつれの崩壊にどのように影響するか？
• RQ4 1つの実験設定でBLGIのすべての項を同時に測定でき、逐次的測定反作用を回避できるか？
• RQ5 最適化されたパルスシーケンスを用いた実際の超伝導キュービット条件下で、得られる最大のBLGI違反は何か？

主な発見

• 実験ではBLGI違反が約2.5に達し、理論的最大値2√2 ≈ 2.828に近づいた。これは強い非古典的振るまいを示している。
• 実験的不完全性のため、CHSH相関は最大で約2.5に留まり、理想の2√2に達しなかった。これはデ coherent 効果と測定誤差によるものである。
• 両方のアーキテクチャキュービットの弱測定に対応する項$E(\beta_1, \beta_2)$は、測定強度を低下させることで0から~1/√2 ≈ 0.707にシグモイド的増加を示した。
• 項$E(\beta_1, \beta_2)$、$E(\beta_1, \beta_2)$、$E(\beta_1, \beta_2)$は異なる挙動を示した：$E(\beta_1, \beta_2)$は弱測定により増加したが、$E(\beta_1, \beta_2)$と$E(\beta_1, \beta_2)$は±0.5に収束した。
• $E(\beta_1, \beta_2)$項が理論予測と最もよく一致し、弱測定がもつれを保持できることとBLGI違反を可能にすることを確認した。
• ORBITによる断続的CZゲートの数値最適化により、単一キュービット位相を約3度調整することで相関が向上し、全体のBLGI違反が強化された。