[논문 리뷰] Measuring the Mermin-Peres magic square using an online quantum computer

A. Dikme, N. Reichel외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 22.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공개적으로 이용 가능한 온라인 다섯 큐비트 양자 컴퓨터에서 메르민-퍼스 마법의 정사각형 컨텍스트룰 라리티 테스트의 최초 구현을 보여준다. 두 큐비트 시스템에서 순차적이고 비파괴 측정을 통해 실험은 약 28 표준편차의 현실성과 비컨텍스트룰 모델을 위반하며, 현재의 NISQ 장치에서 상당한 노이즈가 존재하더라도 양자역학의 비고전적 성질을 확인한다.

ABSTRACT

We have implemented the six series of three commuting measurement of the Mermin-Peres magic square on an online, five qubit, quantum computer. The magic square tests if the measurements of the system can be described by physical realism (in the EPR sense) and simultaneously are non-contextual. We find that our measurement results violate any realistic and non-contextual model by almost 28 standard deviations. We also find that although the quantum computer we used for the measurements leaves much to be desired in producing accurate and reproducible results, the simplicity, the ease of re-running the measurement programs, and the user friendliness compensates for this fact.

연구 동기 및 목표

• 공개적으로 이용 가능한 양자 컴퓨터를 사용하여 메르핀-퍼스 마법의 정사각형을 통해 양자 컨텍스트룰 라리티와 현실성을 테스트한다.
• 온라인 양자 컴퓨팅 플랫폼을 통한 복잡한 양자 컨텍스트룰 라리티 실험의 실현 가능성과 정확도를 평가한다.
• 현재의 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치가 상태에 독립적인 컨텍스트룰 라리티 테스트를 실현하는 데 얼마나 잘 기능하는지 평가한다.
• 사용자 친화적이고 원격으로 접근 가능한 양자 하드웨어가 전문 실험실 인프라 없이도 고급 기초 양자 물리 실험을 가능하게 한다는 것을 보여준다.

제안 방법

• 메르핀-퍼스 마법의 정사각형, 즉 두 큐비트 파울리 관측량으로 이루어진 3×3 행렬이 순차적이고 비파괴 측정을 사용하여 다섯 큐비트 온라인 양자 컴퓨터에 구현되었다.
• 행 또는 열에 해당하는 6개의 측정 시리즈가 수행되었으며, 각 시리즈는 세 개의 가환 측정을 포함하고, 결과는 ±1로 제한되었다.
• 측정 간 상태를 유지하기 위해 양자 비파괴(QND) 측정 기법이 사용되었으며, 이는 보조 큐비트와의 얽힘에 기반한다.
• 측정 결과는 일반적으로 8000~10000회의 반복(샷) 동안 수집되었고, 평균 결과 벡터와 표준편차를 계산하기 위해 통계 분석이 수행되었다.
• 실제로 허용 가능한 모든 결과 벡터의 볼록체를 만들기 위해 데라운이 삼각분할과 제약 조건이 있는 비선형 최적화를 사용하여, 측정된 결과 벡터에 가장 가까운 점을 찾았다.
• 측정된 결과 벡터와 볼록체 위의 가장 가까운 점 사이의 유클리드 거리를 계산하였으며, 이 결과는 표준편차 구면으로 정규화되어 위반의 통계적 유의성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개적으로 이용 가능한 온라인 양자 컴퓨터에서 메르핀-퍼스 마법의 정사각형 컨텍스트룰 라리티 테스트를 성공적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 현재의 노이즈가 있는 중간 규모 양자(NISQ) 장치는 컨텍스트룰 라리티에 대해 양자역학적 예측과 얼마나 일치하는 결과를 낼 수 있는가?
• RQ3 실제 노이즈가 있는 양자 컴퓨팅 환경에서 현실성과 비컨텍스트룰 모델에 대한 통계적 위반은 어느 정도 유의미한가?
• RQ4 온라인 양자 컴퓨터의 단순성과 접근성은 기초 양자 실험에서 하드웨어의 결함을 상쇄시킬 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 현실성과 비컨텍스트룰 모델에 대해 약 27.8 표준편차의 통계적 위반을 달성하였으며, 고전적 볼록체로부터의 거리는 0.4029로 측정되었다.
• 표준편차 구면의 반지름은 0.0145로 계산되어 측정 불확실성에 대한 보수적인 추정치를 제공하였다.
• 프로그램 실행의 약 10–30%가 디코herence, 게이트의 정확도 결함, 독해 오차 등의 영향으로 양자 예측과 일치하지 않아 현재 NISQ 장치의 노이즈가 뚜렷하게 드러났다.
• 하드웨어 결함에도 불구하고 결과는 양자역학을 강력히 지지하며 국소적이고 현실적이며 비컨텍스트룰 모델을 배제한다.
• 이 연구는 온라인 양자 컴퓨터가 노이즈가 있더라도 기초 양자 현상, 예를 들어 컨텍스트룰 라리티를 테스트하는 데 충분하다는 것을 확인한다.
• 온라인 양자 플랫폼의 사용자 우호성, 재사용 가능성, 원격 접근성은 기초 물리 실험에서의 기술적 한계를 상당 부분 상쇄한다.