[논문 리뷰] Experimental test of Hardy's paradox on a five-qubit quantum computer

Soumya Das, Goutam Paul|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 5 큐비트 초전도 양자 컴퓨터에서 비국소성의 하디 파라독스에 대한 최초의 실험적 검증을 제시하며, 비최대 얽힘 두 큐비트 상태가 하디 방정식을 위반하는 것으로 확인되었고, 최대 얽힘 상태와 제품 상태는 그렇지 않음을 보여준다. 이 작업은 현재의 양자 하드웨어에서 두 큐비트 시스템의 비국소성 평가를 위한 성능 지표를 수립한다.

ABSTRACT

We test Hardy's paradox of non-locality experimentally on the IBM five-qubit quantum computer for the first time. The quantum circuit is constructed on superconducting qubits corresponding to the original Hardy's test of non-locality. Results confirmed the theory that any non-maximally entangled state of two qubits violates Hardy's Equations, whereas any maximally entangled state and product state of two qubits do not exhibit Hardy's non-locality. We also point out the difficulties associated with the practical implementation of any Hardy's paradox based quantum protocol and propose three performance measures for any two qubits of any quantum computer.

연구 동기 및 목표

• 실제 양자 프로세서를 사용하여 하디의 양자 비국소성의 파라독스를 실험적으로 검증하는 것.
• 특히 비최대 얽힘, 최대 얽힘, 그리고 제품 상태와 같은 다양한 두 큐비트 상태가 하디의 비국소성 조건 하에서 어떻게 행동하는지 조사하는 것.
• 현재의 노이지 중간 규모 양자(NISQ) 장치에서 하디 파라독스 기반 프로토콜을 구현하는 데 직면한 실질적 과제를 밝혀내는 것.
• 두 큐비트 시스템에서의 비국소성 평가를 위한 세 가지 성능 측정 기준을 제안하고 정의하는 것.

제안 방법

• 초전도 큐비트를 사용하여 원래 하디의 비국소성 검증을 구현하기 위한 양자 회로를 설계하는 것.
• IBM의 5 큐비트 양자 프로세서에서 비최대 얽힘, 최대 얽힘, 제품 상태를 포함한 다양한 두 큐비트 상태를 준비하고 측정하는 것.
• 양자 상태 단층 촬영과 측정 결과를 사용하여 하디 방정식 위반 여부를 확인하는 것.
• 두 큐비트 시스템 성능 평가를 위한 세 가지 성능 측정 기준—비국소성 위반 확률, 상태 준비의 허상도, 측정 오차율—을 정의하는 것.
• 이론적 예측과 실제 하드웨어에서 관측된 결과 간의 비교를 위해 실험 데이터를 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBM의 5 큐비트 양자 컴퓨터는 비최대 얽힘 두 큐비트 상태에서 하디의 비국소성을 성공적으로 구현하는가?
• RQ2 현재의 양자 하드웨어에서 최대 얽힘 상태와 제품 상태는 하디의 비국소성 검증 조건 하에서 어떻게 행동하는가?
• RQ3 NISQ 장치에서 하디 파라독스 기반 프로토콜을 구현하는 데 주요 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ4 제안된 성능 측정 기준은 실제 양자 컴퓨터에서 두 큐비트 시스템의 비국소성을 신뢰성 있게 평가하는 데 유용한가?

주요 결과

• 실험 결과 비최대 얽힘 두 큐비트 상태가 하디 방정식을 위반함을 확인하였으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• 최대 얽힘 상태와 제품 상태는 하디의 비국소성을 나타내지 않아, 파라독스의 이론적 경계가 검증되었다.
• 이 연구는 현재의 양자 하드웨어에서 하디 파라독스를 실현하는 데 있어 뚜렷한 노이즈와 디코herence가 주요 장애물임을 밝혀냈다.
• 제안된 성능 측정 기준은 기존의 양자 프로세서에서 두 큐비트 시스템의 비국소성 평가를 위한 정량적 프레임워크를 제공한다.
• 장비의 제약에도 불구하고, 근미래의 양자 컴퓨터에서 기초적인 양자 파라독스를 시험하는 것이 가능함을 보여주었다.
• 양자 상태 단층 촬영을 통해 준비된 상태의 허상도가 확인되어 실험 결과의 신뢰성은 높다고 지지된다.