[논문 리뷰] Violating Bell's inequality with an artificial atom and a cat state in a cavity

Brian Vlastakis, Andrei Petrenko외 12명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 회로 양자전자역학(circuit QED), 고정밀 측정, 실시간 피드백을 활용하여 후선별 없이 벨의 부등식을 위반하는 최초의 사례를 보여주며, 초전도성 공진자 내 인공 원자와 매크로스코픽 고양이 상태가 얽힌 상태에서 양자 비국소성을 입증한다. 실험은 하이브리드 큐비트-연속변수 시스템에서 양자 비국소성을 규명하고, 고양이 상태의 진폭을 조절하여 디코herence 효과를 정량화하며, 비국소적 상관관계가 붕괴되기 전까지 강건한 얽힘을 유지함을 확인한다.

ABSTRACT

The `Schrödinger's cat' thought experiment highlights the counterintuitive facet of quantum theory that entanglement can exist between microscopic and macroscopic systems, producing a superposition of distinguishable states like the fictitious cat that is both alive and dead. The hallmark of entanglement is the detection of strong correlations between systems, for example by the violation of Bell's inequality. Using the CHSH variant of the Bell test, this violation has been observed with photons, atoms, solid state spins, and artificial atoms in superconducting circuits. For larger, more distinguishable states, the conflict between quantum predictions and our classical expectations is typically resolved due to the rapid onset of decoherence. To investigate this reconciliation, one can employ a superposition of coherent states in an oscillator, known as a cat state. In contrast to discrete systems, one can continuously vary the size of the prepared cat state and therefore its dependence on decoherence. Here we demonstrate and quantify entanglement between an artificial atom and a cat state in a cavity, which we call a `Bell-cat' state. We use a circuit QED architecture, high-fidelity measurements, and real-time feedback control to violate Bell's inequality without post-selection or corrections for measurement inefficiencies. Furthermore, we investigate the influence of decoherence by continuously varying the size of created Bell-cat states and characterize the entangled system by joint Wigner tomography. These techniques provide a toolset for quantum information processing with entangled qubits and resonators. While recent results have demonstrated a high level of control of such systems, this experiment demonstrates that information can be extracted efficiently and with high fidelity, a crucial requirement for quantum computing with resonators.

연구 동기 및 목표

• 초전도성 공진자 내에서 미세한 인공 원자와 매크로스코픽 고양이 상태를 조합한 하이브리드 시스템에서 양자 비국소성을 입증하는 것.
• 후선별 및 측정 비효율성의 한계를 실시간 피드백과 고정밀 검출을 통해 극복하여 벨 테스트를 수행하는 것.
• 디코herence의 역할을 연속적으로 변화하는 고양이 상태 진폭을 통해 매크로스코픽 초위상의 전이에 대해 연구하는 것.
• 감소된 측정 기저에서 큐비트-공진자 얽힘을 특성화하기 위한 연합 위그너 표현을 개발하고 검증하는 것.

제안 방법

• 트랜스몬 큐비트를 초전도성 공진자에 결합하여 얽힘을 생성하고 측정하는 회로 QED 아키텍처를 사용한다.
• 순차적 양자 비파괴 측정(QND): 먼저 큐비트 상태를 측정하고, 이후 이동된 광자 수 기반의 기하학적 기저에서 공진자 상태를 측정한다.
• 실시간 피드백과 사전 로테이션을 적용하여 X, Y, Z 축에 따른 큐비트 관측량을 측정함으로써 CHSH 벨 테스트 설정을 실현한다.
• 논리 큐비트 인코딩을 위한 코herent 상태 |β⟩ 및 |−β⟩를 사용하여 16개의 상관관계로부터 연합 위그너 표현을 구성한다.
• 완전한 상태 톰그래피 없이도 직접 허상도 추정과 CHSH 벨 테스트 워치맨을 논리 기저에서 사용하여 얽힘을 정량화한다.
• 고양이 상태 진폭 |β|를 변화시켜 디코herence로 인한 양자적 행동에서 고전적 행동으로의 전이를 체계적으로 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후선별 또는 측정 비효율성 보정 없이, 초전도성 공진자 내 인공 원자와 매크로스코픽 고양이 상태가 얽힌 상태에서 벨의 부등식을 위반할 수 있는가?
• RQ2 고양이 상태의 크기에 따라 벨 위반 정도는 어떻게 달라지며, 디코herence는 비국소적 상관관계를 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 최소한의 측정 수로 연합 위그너 표현이 얼마나 정확하게 얽힌 큐비트-공진자 상태를 특성화할 수 있는가?
• RQ4 고정밀 실시간 측정과 피드백 제어는 하이브리드 양자 시스템에서 비고전적 상관관계를 견고하게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 디코herence가 지배하기 시작하기 전까지 양자 비국소성이 감지 가능한 최대 고양이 상태 진폭은 얼마인가?

주요 결과

• 실험은 표준편차 3배를 초월하는 벨 부등식 위반을 달성하여 매크로스코픽 초위상이 존재하는 시스템에서 양자 비국소성을 확인한다.
• CHSH 값은 2.52 ± 0.06에 도달하여 고전적 한계인 2를 크게 초월하며 강력한 양자 상관관계를 입증한다.
• 고양이 상태 진폭에 대한 명확한 임계점이 관측되며, 이 이상으로 |β|가 증가함에 따라 벨 위반이 감소함을 확인하였고, 이는 디코herence에 의한 억제로 나타난다.
• 연합 위그너 표현은 단지 16개의 상관관계만을 사용하여도 얽힌 상태를 성공적으로 재구성하였으며, 이는 얽힘 특성화에 있어 효율성을 입증한다.
• 측정의 역작용으로 인해 공진자가 다양한 초위상 상태로 투사되며, X 및 Y 기저 측정에서는 위상 이동된 고양이 상태도 관측된다.
• 모든 검출기 설정에서 체계적인 오차 검증을 수행한 결과 유의미한 편차가 없었으며, 이는 벨 테스트 결과의 견고성을 강화한다.