[논문 리뷰] Experimental Realization of Quantum Violation of Entropic Noncontextual Inequality in Four Dimension Using IBM Quantum Computer

Suvadeep Roy, Bikash K. Behera외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5 큐비트 IBM Quantum Experience를 사용하여 4차원 양자 시스템에서 엔트로피 비상관성 불등식의 양자 위반성을 실험적으로 입증한다. 특정 중첩 상태를 준비하고 다섯 개의 순환적으로 가환하는 관측량의 공동 및 주변 엔트로피를 측정함으로써, 저자들은 고전적 엔트로피 불등식의 상당한 위반을 관측하였으며, 이는 양자역학의 상관성과 국소적 숨겨진 변수 이론의 부정을 확인한다. 이는 실제 양자 프로세서에서 이루어진 결과이다.

ABSTRACT

In quantum information theory, entropic inequalities act as the necessary and sufficient conditions to noncontextuality. Here, we first experimentally demonstrate the violation of the entropic noncontextual inequality in a four-level quantum system, by using the five-qubit IBM quantum computer. The experimental result disproves the existence of a local realist model.

연구 동기 및 목표

• 실제 양자 컴퓨터를 사용하여 4레벨 양자 시스템에서 엔트로피 비상관성 불등식의 실험적 검증을 목적으로 한다.
• Bell-Kochen-Specker 정리가 예측한 바와 같이, 양자역학이 비상관성 숨겨진 변수 이론으로 기술될 수 없음을 입증한다.
• 물리적 양자 프로세서를 사용하여 고차원 시스템에서 엔트로피 상관성의 이론적 프레임워크를 검증한다.
• 각각 5개와 9개의 관측량을 사용하여 상태에 의존하는 위반과 잠재적으로 상태에 독립적인 위반의 가능성을 탐색한다.

제안 방법

• 연구는 IBM Quantum Experience의 5큐비트 프로세서(ibmqx4)를 사용하여 다섯 개의 순환적으로 가환하는 관측량의 공동 및 주변 엔트로피를 측정하기 위한 양자 회로를 구현한다.
• 4차원 힐베르트 공간에서 중첩을 생성하기 위해 특정 회전 각도(α = 2.9306, β = 2.9306 및 β = -5.7112)를 가진 단일 큐비트 U3 게이트를 사용하여 양자 상태 |ψ_s1⟩ 및 |ψ_s2⟩를 준비한다.
• 엔트로피 비상관성 불등식은 M = H(X₅X₁) - H(X₁X₂) - H(X₂X₃) - H(X₃X₄) - H(X₄X₅) 식을 통해 평가되며, 여기서 H는 측정 결과의 샤논 엔트로피를 나타낸다.
• 각 회로당 8192회의 측정을 수행하고, 실험적 확률를 사용하여 개별 및 공동 관측량의 샤논 엔트로피를 계산한다.
• 두 종류의 관측량 집합을 사용한다: 하나는 σZ⊗σZ, σX⊗σX, σX⊗I, σX⊗σZ, I⊗σZ이고, 다른 하나는 다른 파울리 조합을 사용하여 다양한 측정 맥락에서의 위반을 비교할 수 있도록 한다.
• 위반은 M을 계산하여 정량화되며, 양의 값은 양자 상관성과 비상관성 숨겨진 변수 모델의 부정을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 양자 프로세서를 사용하여 4차원 양자 시스템에서 엔트로피 비상관성 불등식을 실험적으로 위반할 수 있는가?
• RQ2 위반은 양자 상태와 관측량 집합의 선택에 따라 달라지며, 다양한 구성에서 관측될 수 있는가?
• RQ3 IBM Quantum Experience 플랫폼은 엔트로피 상관성 테스트에 필요한 공동 및 주변 엔트로피를 신뢰성 있게 구현하고 측정할 수 있는가?
• RQ4 위반은 실제 양자 시스템에서 비상관성 숨겨진 변수 모델을 배제할 정도로 강건한가?

주요 결과

• 엔트로피 비상관성 불등식은 M|ψ_s1⟩ = 0.31094로 실험적으로 위반되었으며, 첫 번째 상태와 관측량 집합에서 강한 양자 상관성을 나타낸다.
• 두 번째 상태와 관측량 집합에 대해서도 상당한 위반이 관측되어, 다양한 구성에서의 강건성을 확인하였다. M|ψ_s2⟩ = 0.12597.
• |ψ_s1⟩에 대해 측정된 주변 엔트로피 H(X₂) = 1.64585 및 H(X₃) = 1.64896는 높은 불확실성을 보이며, 4레벨 시스템에서의 양자 중첩과 일관된다.
• 공동 엔트로피 H(X₂X₃) = 1.27965 및 H(X₃X₄) = 1.28397는 강한 상관관계를 나타내며, 전체적으로 고전적 한계를 넘는 위반에 기여한다.
• 결과는 두 실험 주기 모두에서 엔트로피 불등식이 위반되므로, 양자역학은 비상관성 숨겨진 변수 모델로 기술될 수 없다는 것을 확인한다.
• 본 연구는 엔트로피 측정을 사용하여 근접한 양자 하드웨어에서 고차원 양자 상관성을 테스트하는 것이 가능하다는 것을 입증한다.