[논문 리뷰] Entanglement Metrology Using a Joint Readout of Superconducting Qubits

Jerry M. Chow, L. DiCarlo외 7명|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 13.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 단일 채널으로 동시 읽기 측정을 통해 집합 평균 상관관계를 직접 측정함으로써 초전도 큐비트에서 얽힘 미세측정을 구현한다. 단일 측정의 정확도가 약 10%에 불과함에도 불구하고 약 95%의 정확도와 약 98%의 정밀도를 달성한다. 이 방법은 완전한 양자 상태 미세측정을 가능하게 하며, CHSH 위반 값이 최대 2.61±0.04에 이르고, 양성도 하한 경계가 약 88%에 이르는 고정밀도 얽힘 상태를 탐지한다.

ABSTRACT

Accurate and precise detection of multi-qubit entanglement is key for the experimental development of quantum computation. Traditionally, non-classical correlations between entangled qubits are measured by counting coincidences between single-shot readouts of individual qubits. We report entanglement metrology using a single detection channel with direct access to ensemble-averaged correlations between two superconducting qubits. Following validation and calibration of this joint readout, we demonstrate full quantum tomography on both separable and highly-entangled two-qubit states produced on demand. Using a subset of the measurements required for full tomography, we perform entanglement metrology with ~95% accuracy and ~98% precision despite ~10% fidelity of single measurements. For the highly entangled states, measured Clauser-Horne-Shimony-Holt operators reach a maximum value of 2.61+/-0.04 and entanglement witnesses give a lower bound of ~88% on concurrence. In its present form, this detector will be able to resolve future improvements in the production of two-qubit entanglement and is immediately extendable to 3 or 4 qubits.

연구 동기 및 목표

• 측정 간섭과 낮은 단일 측정 정확도로 인해 고체계에서 다중 큐비트 얽힘을 측정하는 데 어려움이 존재함을 해결하기 위해.
• 개별 큐비트 측정의 동시 발생 수를 의존하지 않고도 큐비트 간 상관관계에 직접 접근할 수 있는 확장 가능한 단일 채널 측정 방법을 개발하기 위해.
• 공유 읽기 측정이 초전도 회로에서 분리 가능한 상태와 고도로 얽힌 이중 큐비트 상태를 특성화하는 데 신뢰할 수 있는 도구로 기능하는지 검증하기 위해.
• 향후 이중 큐비트 얽힘 생성의 향상 여부를 감지하고, 3~4 큐비트로의 확장 가능성을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 트랜스몬 큐비트가 공유된 마이크로파 전송선 공진기를 통해 결합된 회로 양자 전기역학 구조를 사용하며, 이 공진기가 공동 검출기로 기능한다.
• 큐비트 상태에 따라 공진기의 주파수에 변화를 유도하여, 동조 검출을 통해 단일 출력 신호에 집합적 큐비트 상태를 인코딩한다.
• 측정 모델을 校정하여 단일 측정 채널에서 직접 집합 평균 상관관계를 추출함으로써 개별 큐비트 읽기 과정을 회피한다.
• 공유 측정 데이터를 기반으로 양자 상태 미세측정과 얽힘 증거를 적용하여 밀도 행렬을 재구성하고, 양성도 하한을 추정한다.
• X 및 Z 축을 따라 파울리 측정을 수행하여 CHSH 연산자를 사용해 비국소성 여부를 테스트하고, 고전적 경계를 초월한 얽힘을 확인한다.
• 결과를 마스터 방정식 시뮬레이션과 비교하고, 분리 가능한 상태와 얽힌 상태에 대한 이론적 경계와 실험적 기대값을 대조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 단일 측정 정확도에도 불구하고 단일 공유 읽기 채널이 초전도 큐비트에서 다중 큐비트 얽힘을 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 공유 검출 기반 방법이 고체 큐비트 시스템에서 얽힘 증거와 CHSH 부등식을 얼마나 신뢰성 있게 적용할 수 있는가?
• RQ3 집합적 상관관계를 캡처하는 단일 측정 채널만으로도 완전한 양자 상태 미세측정을 수행할 수 있는가?
• RQ4 공유 읽기 방법은 다중 큐비트 시스템으로 어떻게 확장될 수 있으며, 향후 실험에서 얽힘 정밀도 향상 여부를 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 측정 정확도가 약 10%에 불과함에도 불구하고 공유 읽기 방법은 약 95%의 정확도와 약 98%의 정밀도를 달성하여 얽힘 미세측정을 수행한다.
• 분리 가능한 상태와 고도로 얽힌 이중 큐비트 상태 모두에 대해 완전한 양자 상태 미세측정이 성공적으로 수행되었으며, 목표 벨 상태와의 일치도가 90%를 초월한다.
• 최대 CHSH 연산자 값은 2.61±0.04에 도달하여 고전적 분리 가능한 경계를 강하게 위반하고 높은 얽힘 정밀도를 시사한다.
• 얽힘 증거는 양성도에 대해 약 88%의 하한 경계를 제공하여 생성된 상태에 상당한 얽힘이 존재함을 확인한다.
• 공유 읽기 방법은 진화 상태(예: θ = ±90°)에서 얽힘 상태를 성공적으로 탐지하고, 분리 가능한 상태(예: 진화 A)를 정확히 식별하며, 데이터와 이론 간 잔차가 약 2% 이내로 일치한다.
• 공유 읽기 방법은 즉각적으로 3~4 큐비트로 확장 가능하며, 하드웨어 재설계 없이도 향후 이중 큐비트 얽힘 생성 향상 여부를 감지할 수 있다.