[논문 리뷰] Preserving entanglement during weak measurement demonstrated with a violation of the Bell-Leggett-Garg inequality

T. White, Mutus, J. Y.외 19명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 07.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초전도 큐비트에서 하이브리드 벨-레게트-가르 불등식(BLGI) 실험을 통해 약한 측정 중 양자 얽힘이 유지됨을 입증한다. 공간 얽힘(CHSH)과 시간적 약한 측정을 결합함으로써 실험은 약 2.5의 BLGI 위반을 달성하여 최소한의 측정 역작용 하에서 비고전적 상관관계를 확인하였으며, 최적화된 아디아바틱 CZ 게이트와 스핀 에코를 통해 실험 정밀도가 향상되었다.

ABSTRACT

Weak measurement has provided new insight into the nature of quantum measurement, by demonstrating the ability to extract average state information without fully projecting the system. For single qubit measurements, this partial projection has been demonstrated with violations of the Leggett-Garg inequality. Here we investigate the effects of weak measurement on a maximally entangled Bell state through application of the Hybrid Bell-Leggett-Garg inequality (BLGI) on a linear chain of four transmon qubits. By correlating the results of weak ancilla measurements with subsequent projective readout, we achieve a violation of the BLGI with 27 standard deviations of certainty.

연구 동기 및 목표

• 공간 얽힘과 시간적 약한 측정을 동시에 적용하여 국소 실재론과 양자역학의 타당성을 한 번의 실험에서 테스트하기 위해.
• 레게트-가르 불등식의 '불완전한 측정' 역설을 피하기 위해 약한 측정을 통해 엽힌 큐비트에 대한 측정 역작용을 최소화하기 위해.
• 펄스 시퀀스 최적화와 디코herence 효과 감소를 통해 약한 측정 중 양자 얽힘을 유지하기 위해.
• 약한 측정 하에서 비고전적 행동의 징후로 강력한 벨-레게트-가르 불등식(BLGI) 위반을 달성하기 위해.
• 최대 엽힌 허용도를 기준으로 이론적 한계와 실험 성능를 비교 분석하기 위해 CHSH 상관관계를 기준으로 삼음.

제안 방법

• CHSH 유형의 공간 얽힘과 애너일라 큐비트에서의 약한 측정을 조합하여 국소 실재론과 거시적 실재론을 동시에 테스트하는 하이브리드 벨-레게트-가르 불등식(BLGI)을 구성함.
• Bell 상태 큐비트에 대한 역작용을 최소화하기 위해 ORBIT 프로토콜을 활용해 최적화된 파arameters를 가진 아디아바틱 제어-Z(CZ) 게이트를 사용하여 약한 측정을 구현함.
• 펄스 시퀀스 중 스핀 에코 펄스를 적용하여 위상 분산를 제거하고 얽힘을 유지함으로써, 초기 |Ψ⁺⟩ 상태를 변경하지 않은 채 |Ψ⁻⟩ 상태로 전환함.
• 신호 대 잡음비를 향상시키고 읽기 시간을 단축하기 위해 넓은 대역폭 주기적 증폭기(IMPA)를 사용함.
• 약한 측정과 상태 준비를 통해 단일 실험 런 내에서 모든 세 가지 필수 LGI 측정을 수행함으로써 순차적 측정 역작용을 피함.
• 큐비트 특성에 맞는 디코herence와 비이상적인 요소를 고려하기 위해, 최대 CHSH 위반 값에 기반해 검출기 각도를 校정함 (항상 π/4일 필요는 없음).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 측정 중에도 얽힘이 유지될 수 있으며, 동시에 벨-레게트-가르 불등식을 위반할 수 있는가?
• RQ2 디코herence와 측정 오류와 같은 실험적 불완전성은 BLGI 위반 정도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 애너일라 큐비트의 측정 강도는 주 벨 큐비트의 얽힘 붕괴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 단일 실험 설정에서 BLGI의 모든 항을 동시에 측정할 수 있으며, 순차적 측정 역작용을 피할 수 있는가?
• RQ5 최적화된 펄스 시퀀스를 사용할 경우 실제 초전도 큐비트 조건에서 달성 가능한 최대 BLGI 위반 정도는 얼마인가?

주요 결과

• 실험은 약 2.5의 BLGI 위반을 달성하여 이론적 최대값 2√2 ≈ 2.828에 가까워지며 강력한 비고전적 행동을 나타냄.
• 실험적 불완전성으로 인해 CHSH 상관관계는 최대 약 2.5에 도달하였으며, 디코herence와 측정 오류로 인해 이상적인 2√2에 못 미침.
• 측정 강도가 감소함에 따라 측정 강도가 낮아질수록 $E(\beta_1, \beta_2)$ 항이 0에서 ~1/√2 ≈ 0.707로 시그모이드 형태로 증가함.
• 항 $E(\beta_1, \beta_2)$, $E(\beta_1, \beta_2)$, $E(\beta_1, \beta_2)$ 는 각각 다른 행동을 보였으며, $E(\beta_1, \beta_2)$ 는 약한 측정에서 증가하는 경향을 보였고, $E(\beta_1, \beta_2)$ 와 $E(\beta_1, \beta_2)$ 는 ±0.5로 수렴함.
• $E(\beta_1, \beta_2)$ 항이 이론 예측과 가장 잘 일치하여 약한 측정이 얽힘을 유지하고 BLGI 위반을 가능하게 함을 확인함.
• ORBIT를 통한 아디아바틱 CZ 게이트의 수치 최적화로 단일 큐비트 위상 조정 약 3도를 통해 상관관계가 향상되었으며, 이로 인해 전체 BLGI 위반이 증가함.