[论文解读] Experimental test of Hardy's paradox on a five-qubit quantum computer

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本研究首次在五量子比特超导量子计算机上对非局域性的 Hardy 怪论进行了实验验证，证实非最大纠缠的两量子比特态违反 Hardy 方程，而最大纠缠态和纯态则不违反。该工作为当前量子硬件上两量子比特系统非局域性的评估建立了性能指标。

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.

研究动机与目标

• 使用真实量子处理器对量子非局域性的 Hardy 怪论进行实验验证。
• 研究不同两量子比特态——特别是非最大纠缠态、最大纠缠态和纯态——在 Hardy 非局域性条件下的表现。
• 识别在当前含噪声中等规模量子（NISQ）设备上实现基于 Hardy 怪论的协议所面临的技术挑战。
• 提出并定义三种用于评估量子计算机上两量子比特系统非局域性的性能指标。

提出的方法

• 在超导量子比特上设计量子线路，以实现原始 Hardy 非局域性测试。
• 在 IBM 五量子比特量子处理器上制备并测量各种两量子比特态，包括非最大纠缠态、最大纠缠态和纯态。
• 利用量子态层析成像和测量结果验证 Hardy 方程的违反。
• 定义三种性能指标——非局域性违反概率、态制备保真度和测量误差率——以评估两量子比特系统的性能。
• 分析实验数据，比较 Hardy 非局域性的理论预测与量子硬件上观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 IBM 五量子比特量子计算机是否成功在非最大纠缠两量子比特态中展示了 Hardy 非局域性？
• RQ2 在当前量子硬件上，最大纠缠态和纯态在 Hardy 非局域性测试中表现如何？
• RQ3 在 NISQ 设备上实现基于 Hardy 怪论的协议的主要技术挑战是什么？
• RQ4 所提出的性能指标能否可靠地评估真实量子计算机上两量子比特系统的非局域性？

主要发现

• 实验结果证实，非最大纠缠两量子比特态违反 Hardy 方程，与理论预测一致。
• 最大纠缠态和纯态未表现出 Hardy 非局域性，验证了该怪论的理论边界。
• 该研究识别出显著的噪声和退相干是当前量子硬件上实现 Hardy 怪论的主要障碍。
• 所提出的性能指标为现有量子处理器上两量子比特系统非局域性的评估提供了定量框架。
• 结果表明，尽管存在硬件限制，近场量子计算机仍具备测试基础量子怪论的可行性。
• 量子态层析成像证实了制备态的保真度，支持了实验结果的可靠性。