[논문 리뷰] Demonstration of Entropic Noncontextual Inequality Using IBM Quantum Computer

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다섯 큐비트 IBM 양자 컴퓨터를 사용하여 네 수준의 양자 시스템에서 엔트로피 기반 비상관성 불등식을 실험적으로 구현한다. 공동 샤논 엔트로피를 활용하여 비상관성 숨겨진 변수 이론의 위반을 확인함으로써 초전도 양자 프로세서에서 양자 상관성의 직접적인 실험적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

In quantum information theory, entropic inequalities act as the necessary and sufficient conditions to noncontextuality. Here, we demonstrate the experimental realization of entropic noncontextual inequality in a four-level quantum system, by implementing in the five-qubit IBM quantum computer. Using joint Shannon entropy, we obtain the desired result verified by our experiment.

연구 동기 및 목표

• 엔트로피 기반 비상관성 불등식이 양자 시스템에서 실험적으로 검증 가능한지 테스트하는 것.
• 기존의 상태에 의존하는 불등식을 초월하여 엔트로피가 상관성 탐지에 어떻게 기여하는지 조사하는 것.
• 실제 양자 프로세서(IBM 양자 다섯 큐비트 시스템)를 활용하여 비상관성 테스트를 구현하고 검증하는 것.
• 공동 샤논 엔트로피가 고차원 양자 시스템에서 상관성을 탐지하는 데 강력한 측정 도구가 될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 특정 양자 상태를 준비하기 위해 양자 게이트를 사용하여 다섯 큐비트 IBM 양자 프로세서 상에서 네 수준의 양자 시스템(큐트리트 유사)을 구현하는 것.
• 다양한 맥락에서 측정 결과의 불확실성을 측정하기 위해 공동 샤논 엔트로피를 활용하는 것.
• 비상관성 숨겨진 변수 이론에서 유도된 특정 엔트로피 불등식을 실험적으로 검증할 수 있는 조건으로 설계하는 것.
• 다른 기저에서 측정하기 위해 양자 상태를 실험적으로 준비하고, 엔트로피 기반 불등식을 평가하는 것.
• 비상관성 모델이 예측한 이론적 상한값과 관측된 엔트로피 값 간의 비교를 수행하는 것.
• 실험 결과의 정밀도와 신뢰성을 향상시키기 위해 양자 회로 시뮬레이션과 오류 보정 기법을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 양자 프로세서에서 엔트로피 기반 비상관성 불등식을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 공동 샤논 엔트로피는 네 수준의 양자 시스템에서 상관성을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 실제 양자 장치에서 엔트로피 기반 비상관성 불등식의 위반 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 비상관성 모델에 기반한 이론적 예측과 실험 결과는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 실험적으로 엔트로피 기반 비상관성 불등식의 위반이 성공적으로 입증되어 양자 시스템의 상관성이 확인되었다.
• 관측된 공동 샤논 엔트로피 값이 비상관성 숨겨진 변수 이론이 예측한 상한값을 초과하였다.
• 다양한 상태 준비 및 측정 맥락에서 위반 현상이 일관되게 관측되었다.
• 실험 결과는 양자 회로 시뮬레이션과 오류 보정을 통해 검증되어 실험 결과의 신뢰성이 확보되었다.