[论文解读] A quantum teleportation experiment for undergraduate students

S. Fedortchenko|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 11

一句话总结

本文通过 IBM Quantum Experience（QE）网络界面，利用 IBM 的 5 量子比特量子处理器，为大学生设计了一项教学型量子隐形传态实验。该实验展示了学生如何在真实的超导硬件上实现并分析量子隐形传态协议，尽管存在设备限制，仍可观测到隐形传态保真度，从而实现了量子信息科学的实践性学习。

ABSTRACT

With the rapid progress of quantum information these recent years, it becomes more and more relevant to dedicate efforts in introducing this research topic to undergraduate students. However, as if in various fields of physics the theoretical learning is closely accompanied with experimental illustrations, such a teaching method can be expensive to organise for quantum information. We propose one way to circumvent these difficulties by using the recently made available 5-qubit quantum processor of IBM, in order to illustrate quantum information tasks, by actually implementing them on the superconducting chip through the web interface of the IBM Quantum Experience. We focus on the realization of a quantum teleportation protocol on this device, analyze the results and discuss the issues encountered, providing a complete analysis of this software as a pedagogical tool.

研究动机与目标

• 为本科生提供一种可访问且低成本的教学方法，用于讲授量子信息概念。
• 解决在教学量子信息实验时实验成本高和技术复杂的问题。
• 证明使用云量子处理器（如 IBM 的）实现教育性量子隐形传态协议的可行性。
• 评估 IBM Quantum Experience 作为教学工具在展示量子隐形传态及相关量子现象方面的有效性。

提出的方法

• 该实验使用通过 IBM Quantum Experience（QE）网络界面可访问的 IBM 5 量子比特超导量子处理器。
• 学生使用单量子比特门（Hadamard 门、Pauli 门、相位门、T 门）和 CNOT 门实现量子隐形传态协议，以纠缠量子比特。
• 该协议旨在传输一个制备在特定相位叠加态的量子比特态，该态通过一系列量子门操作推导得出。
• 将理论预测的初始态与在真实量子处理器上运行 8192 次电路后获得的实验结果进行比较。
• 通过鲍勃的量子比特的密度矩阵评估隐形传态的保真度，尽管由于设备噪声和退相干，完整基准测试受到限制。
• 实现中包含误差分析，并讨论了影响实验结果的硬件限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 本科生能否通过云接口在真实量子处理器上动手实现，有效学习量子隐形传态？
• RQ2 在 IBM 5 量子比特处理器上，量子隐形传态的性能与理想理论预测相比如何？
• RQ3 影响近期量子设备上隐形传态保真度的主要实验限制（如退相干、门误差）是什么？
• RQ4 IBM Quantum Experience 在多大程度上可作为可靠且具有教学有效性的教学工具？
• RQ5 如何以一种对没有实验量子物理训练的学生也易于理解的方式实现和分析量子隐形传态？

主要发现

• 通过 QE 网络界面，成功在 IBM 5 量子比特量子处理器上实现了量子隐形传态协议，使学生能够观察到真实的量子行为。
• 爱丽丝制备的初始态为 |ϕᵢ⟩ = eⁱᵖⁱᐟ⁸(cos(π/8)|0⟩ + sin(π/8)|1⟩)，该态被用作隐形传态的输入。
• 尽管存在硬件噪声和退相干，实验结果仍显示出可测量的隐形传态保真度，证明了该协议在近期设备上的可行性。
• 保真度指标虽因设备限制无法完全计算，但通过定性分析表明，该协议实现了可观测的成功。
• IBM Quantum Experience 接口可实现电路的快速执行（8192 次测量在几分钟内完成），使其适用于课堂教学。
• 本研究证实，基于云的量子处理器可作为有效教学工具，用于展示量子纠缠和隐形传态等核心量子信息概念。