[논문 리뷰] Complete Self-Testing of a System of Remote Superconducting Qubits

Simon Storz, Anatoly Kulikov외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 08. 02.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 원격 초전도 큐비트의 첫 번째 완전한 장치 독립적 자기검증을 입증하며, 1700만 번의 시험에서 CHSH S값 2.236을 달성하였다. 장치 내부에 대한 가정 없이 99% 신뢰도로 최소 58.9%의 벨 상태 허상도와 최소 89.5%의 측정 허상도를 인증함으로써, 장치 내부에 대한 가정 없이도 안전한 분산 양자 계산을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Self-testing protocols enable the certification of quantum systems in a device-independent manner, i.e. without knowledge of the inner workings of the quantum devices under test. Here, we demonstrate this high standard for characterization routines with superconducting circuits, a prime platform for building large-scale quantum computing systems. We first develop the missing theory allowing for the self-testing of Pauli measurements. We then self-test Bell pair generation and measurements at the same time, performing a complete self-test in a system composed of two entangled superconducting circuits operated at a separation of 30 meters. In an experiment based on 17 million trials, we measure an average CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) S-value of 2.236. Without relying on additional assumptions on the experimental setup, we certify an average Bell state fidelity of at least 58.9% and an average measurement fidelity of at least 89.5% in a device-independent manner, both with 99% confidence. This enables applications in the field of distributed quantum computing and communication with superconducting circuits, such as delegated quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 안전한 분산 양자 기술을 위한 핵심 단계인 원격 초전도 큐비트의 장치 독립적 인증을 가능하게 하기 위해.
• 초전도 회로를 위한 자기검증 프로토콜에서 국소성 및 탐지 누락을 모두 제거하기 위해.
• 초전도 시스템에서 파울리 측정의 자기검증을 위한 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 장치 내부에 대한 가정 없이도 높은 품질의 얽힌 상태 준비 및 측정 작업의 허상도를 인증하기 위해.
• 30미터 거리에서 실생활 초전도 양자 네트워크에서 자기검증의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 장치 독립적 인증을 측정 과정으로 확장하기 위해 초전도 큐비트에서 파울리 측정의 자기검증을 위한 새로운 이론적 프레임워크를 개발하였다.
• 국소성 누락을 제거하기 위해 공간적으로 분리된 측정 설정을 사용한 누락 없는 벨 테스트를 구현하여, 노드 간의 고전적 통신이 불가능하도록 보장하였다.
• 고효율 마이크로파 검출기와 비선형 풀리 필터를 사용하여 쿠비트 읽기 품질을 향상시킴으로써 탐지 누락을 제거하였다.
• 신뢰할 수 있는 난수 생성기와 동기화된 측정 이벤트를 사용하여 공정한 샘플링을 확보하기 위해 1700만 번의 벨 테스트 시험을 수행하였다.
• 관측된 상관관계만으로도 양자 상태 및 측정 품질을 인증하기 위해 CHSH 부등식 기반의 노이즈에 강건한 자기검증 분석을 적용하였다.
• 신뢰구간 추정(참고문헌 [60]에 근거)을 사용하여 99% 신뢰도로 상태 및 측정 품질의 장치 독립적 한계를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 장치 동작에 대한 가정 없이도 원격 초전도 큐비트 시스템이 장치 독립적으로 완전히 자기검증될 수 있는가?
• RQ2 어떤 이론적 프레임워크가 초전도 회로에서 파울리 측정의 자기검증을 가능하게 하는가?
• RQ3 30미터 간격으로 분리된 실생활 초전도 양자 네트워크에서 고품질의 얽힘과 측정을 인증할 수 있는가?
• RQ4 초전도 시스템에서 실험적 노이즈와 유한한 표본 크기에 대해 자기검증 프로토콜이 어느 정도 내성적인가?
• RQ5 초전도 큐비트에서 한 번의 실험으로 상태 준비와 측정 양쪽 모두에 대해 장치 독립적 인증을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1700만 번의 시험 동안 평균 CHSH S값이 2.236에 도달하여 양자 한계를 초월하고 비국소성을 확인하였다.
• 99% 신뢰도로 최소 58.9%의 벨 상태 허상도를 인증하였으며, 이는 소스에 대한 가정 없이도 고품질의 얽힘 생성을 보여주었다.
• 99% 신뢰도로 최소 89.5%의 측정 허상도를 인증하였으며, 이는 신뢰할 수 있고 일관된 측정 작업을 의미한다.
• 자기검증 프로토콜은 국소성 및 탐지 누락을 모두 제거하여, 인증이 진정으로 장치 독립적임을 보장하였다.
• 결과는 초전도 회로를 이용한 장치 독립적 양자 프로토콜(예: 위임된 양자 계산)의 실현 가능성을 검증하였다.
• 개발된 이론은 초전도 시스템에서 파울리 측정의 자기검증을 가능하게 하여, 이 플랫폼에 대한 장치 독립적 인증의 핵심적 간극을 메웠다.