[論文レビュー] Violating Bell's inequality with an artificial atom and a cat state in a cavity

Brian Vlastakis, Andrei Petrenko+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超伝導キャビティ内に閉じ込められた人工原子とマクロなキャット状態がエンタングルされた系を用いて、初めてベルの不等式に反する結果を示した。これは、回路QED、高精度な測定、リアルタイムフィードバックを活用し、事後選別を必要としないベルテストを実現した。実験ではハイブリッド量子ビット・連続変数系における量子非局所性を明らかにし、キャット状態の振幅を変化させることでデ coherent 効果を定量的に評価した。その結果、デ coherent が非古典的相関を抑制する臨界サイズまで、強固なエンタングルメントが維持されることを確認した。

ABSTRACT

The `Schrödinger's cat' thought experiment highlights the counterintuitive facet of quantum theory that entanglement can exist between microscopic and macroscopic systems, producing a superposition of distinguishable states like the fictitious cat that is both alive and dead. The hallmark of entanglement is the detection of strong correlations between systems, for example by the violation of Bell's inequality. Using the CHSH variant of the Bell test, this violation has been observed with photons, atoms, solid state spins, and artificial atoms in superconducting circuits. For larger, more distinguishable states, the conflict between quantum predictions and our classical expectations is typically resolved due to the rapid onset of decoherence. To investigate this reconciliation, one can employ a superposition of coherent states in an oscillator, known as a cat state. In contrast to discrete systems, one can continuously vary the size of the prepared cat state and therefore its dependence on decoherence. Here we demonstrate and quantify entanglement between an artificial atom and a cat state in a cavity, which we call a `Bell-cat' state. We use a circuit QED architecture, high-fidelity measurements, and real-time feedback control to violate Bell's inequality without post-selection or corrections for measurement inefficiencies. Furthermore, we investigate the influence of decoherence by continuously varying the size of created Bell-cat states and characterize the entangled system by joint Wigner tomography. These techniques provide a toolset for quantum information processing with entangled qubits and resonators. While recent results have demonstrated a high level of control of such systems, this experiment demonstrates that information can be extracted efficiently and with high fidelity, a crucial requirement for quantum computing with resonators.

研究の動機と目的

• キャビティ内にマクロなキャット状態とマイクロスコピックな人工原子を組み合わせたハイブリッド系において、量子非局所性を実証すること。
• 事後選別や測定非効率性の制限を克服するため、リアルタイムフィードバックと高精度検出を用いてベルテストを実施すること。
• キャット状態の振幅を連続的に変化させることで、デ coherent 効果がマクロな重ね合わせに与える影響を調査すること。
• 削減された測定基底における量子ビット–キャビティエンタングルメントを特徴付けるための共同ウィグナー表現の構築と検証を行うこと。

提案手法

• トランスモン量子ビットを超伝導キャビティに結合させた回路QEDアーキテクチャを用い、エンタングルメントを生成・測定する。
• 逐次的量子非破壊（QND）測定を実施：最初に量子ビット状態を測定し、次に変位した光子数パリティを介してキャビティ状態を測定する。
• リアルタイムフィードバックと事前回転を適用し、CHSHベルテストの設定に沿ってX、Y、Z軸方向の量子ビット観測量を測定する。
• 論理的量子ビット符号化として用いられるコherent状態|β⟩と|−β⟩に基づき、16個の相関からなる共同ウィグナー表現を構築する。
• 完全な状態トモグラフィーを必要とせず、論理基底における直接的fideliy推定とCHSHベルテストのウィtnessを用いてエンタングルメントを定量評価する。
• キャット状態の振幅|β|を変化させることで、デ coherent による量子的から古典的行動への遷移を体系的に調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事後選別や測定非効率性の補正なしに、キャビティ内に閉じ込められた人工原子とマクロなキャット状態がエンタングルされた系でベルの不等式に反することができるか？
• RQ2 ベル違反の度合いはキャット状態のサイズにどのように依存するか。また、デ coherent が非局所的相関を抑制する役割を果たすか？
• RQ3 最小限の測定で得られる16相関を用いて、共同ウィグナー表現がエンタングルド量子ビット–キャビティ状態をどれほど正確に特徴づけられるか？
• RQ4 高精度でリアルタイムな測定とフィードバック制御により、ハイブリッド量子系における非古典的相関の検出がどれほど頑健に可能になるか？
• RQ5 デ coherent が支配的になる前に、量子非局所性が検出可能なキャット状態の最大振幅は何か？

主な発見

• ベル不等式の違反が3標準偏差を超えて達成され、マクロな重ね合わせを有する系における量子非局所性が確認された。
• CHSH値は2.52 ± 0.06に達し、古典的限界の2を著しく上回り、強い量子相関を示した。
• キャット状態の振幅に明確な閾値が観察され、|β|が増加するに従いベル違反が低下する傾向が確認された。これはデ coherent による抑制を示している。
• 共同ウィグナー表現は16相関のみを用いてもエンタングル状態を効率的に再構成でき、その有効性が検証された。
• 測定の反作用により、キャビティが明確に分離した重ね合わせ状態に投影されることが観測され、特にXおよびY基底測定では位相シフト付きのキャット状態が生成された。
• 全検出器設定において体系的な誤差チェックを実施した結果、顕著なずれは認められず、ベルテスト結果の頑健性が裏付けられた。