[논문 리뷰] Experimental detection of microscopic environments using thermodynamic observables

Ivan Henao, Raam Uzdin외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 23.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 관측량을 활용하여 양자 시스템 내 숨겨진 미세 환경을 실험적으로 탐지하는 방법을 제안한다. 이는 클라우지우스 부등식 및 전반적 피아식성과 같은 열역학적 제약의 위반을 기반으로 하며, IBM 양자 프로세서에서 특정 관측량의 평균값을 측정하여 비유니터리 동역학(환경과의 결합을 시사)을 전체 상태 톰그래피 없이 진단할 수 있음을 보여준다. 이 방법은 최대 4 큐비트 시스템까지 확장 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

Modern thermodynamic theories can be used to study highly complex quantum dynamics. Here, we experimentally demonstrate that the violation of thermodynamic constraints allows to detect the coupling of a quantum system to a hidden environment. By using the IBM quantum superconducting processors, we perform thermodynamic tests to detect a qubit environment interacting with a system composed of up to four qubits. The experiments are complemented by theoretical findings that show efficient scalability of the tests with respect to system size. Hence, they may be useful to detect an open system dynamics in situations where other methods (e.g. quantum state tomography) are practically infeasible.

연구 동기 및 목표

• 열역학적 관측량을 사용하여 개방 양자 시스템에서의 미세 환경 결합을 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 방법으로 탐지하는 데 목적이 있다.
• 대규모 양자 장치에서 양자 상태 톰그래피의 한계를 극복하기 위해 열역학적 관측량을 사용하는 데 목적이 있다.
• 열역학적 제약(예: 클라우지우스 부등식)의 위반이 비유니터리이고 환경에 의해 유도된 동역학을 신뢰성 있게 나타내는 지표가 될 수 있음을 보여주는 데 목적이 있다.
• 초전도 큐비트를 사용하여 IBM Quantum Experience 플랫폼에서 실험적으로 방법을 검증하는 데 목적이 있다.
• 평균 관측량 값에 기반한 열역학적 테스트가 트래잭터리 기반 방법(예: 변동성 관계)보다 더 실용적임을 보여주는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 초기 열적 상태 $\rho_s$ 에 대해 $\mathcal{B} = -\ln(\rho_s)$ 라는 관측량을 정의함으로써 클라우지우스 부등식에 기반한 열역학적 제약을 설정한다: 비유니터리 진화에 대해 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$ 이다.
• 시스템 진화 후 관측량 $\mathcal{B}$ 의 평균값 변화 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle$ 를 측정하여 비유니터리(비유니터리) 동역학을 나타내는 위반 여부를 탐지한다.
• 수동 관측량 $\mathcal{F}_\alpha$ 를 사용하여 전역 피아식성 제약을 적용함으로써 열 누출을 탐지하며, $\Delta\langle\mathcal{F}_\alpha\rangle < 0$ 는 환경과의 결합을 시사한다.
• 초기 열적 상태를 준비하고 제어된 운영을 통해 시스템을 진화시키는 양자 회로를 사용하여 IBM의 5큐비트 초전도 프로세서(Melbourne 및 Essex)에 테스트를 구현한다.
• 이론적 결과(Huang 등, 2020)를 활용하여 필요한 측정 수가 시스템 크기와 다항식 비율로 증가함을 보장함으로써 확장 가능성을 확보한다.
• 열역학 자원 이론의 제약과 결과를 비교하여, 전역 피아식성 테스트가 자원 이론 부등식이 위반되지 않은 경우에도 환경을 탐지할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 상태 재구성 없이도 열역학적 제약를 사용하여 양자 시스템 내 숨겨진 환경 결합을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 클라우지우스 부등식과 전역 피아식성 제약의 위반이 양자 시스템 내 숨겨진 환경의 존재를 어떻게 시사하는가?
• RQ3 어떤 상황에서 평균 관측량 값에 기반한 열역학적 테스트가 환경 결합 탐지에서 표준 자원 이론 부등식보다 우월한가?
• RQ4 이러한 테스트는 제한된 큐비트 수와 양자 얽힘 시간을 가진 근접 양자 프로세서에서 실험적으로 실현 가능한가?
• RQ5 이러한 열역학 진단의 시스템 크기 및 측정 비용 측면에서의 확장 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• IBM의 5큐비트 프로세서에서 클라우지우스 부등식 $\Delta\langle\mathcal{B}\rangle \geq 0$ 의 위반이 실험적으로 관측되었으며, 이는 환경과의 결합으로 인한 비유니터리 동역학을 시사한다.
• 전역 피아식성 제약에 기반한 열 누출 테스트는 $2.3 \lesssim \delta \lesssim 3.8$ 범위에서 환경 결합을 탐지했으며, 열역학 자원 이론 부등식이 위반되지 않은 경우에도 성공하였다.
• 측정 수가 시스템 크기와 다항식 비율로 증가함을 보여, 더 큰 시스템으로의 확장 가능성을 확보하였다.
• 테스트는 자가 포함되어 있으며, 고전적 시뮬레이션이나 전체 톰그래피가 필요 없이 시스템 측정만으로도 수행 가능하여 대규모 장치에서는 비현실적인 기존 방법에 비해 유리하다.
• 특정 경우(예: 대칭적 상태 교환로 인한 자원 이론 제약 실패)에서 자원 이론 제약는 환경을 탐지하지 못했지만, 전역 피아식성 테스트는 열 누출을 성공적으로 식별하였다.
• 결과적으로 열역학 관측량은 트래잭터리 기반 방법(예: 변동성 관계)에 비해 오류 진단에 있어 강력하고 저비용의 대안임을 확인하였다.