[论文解读] Complete Self-Testing of a System of Remote Superconducting Qubits

Simon Storz, Anatoly Kulikov+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2024

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 2

一句话总结

该论文首次实现了远程超导量子比特的完整设备无关自测，基于1700万次实验，获得CHSH S值为2.236。在99%置信度下，认证了贝尔态保真度至少为58.9%，测量保真度至少为89.5%，无需对设备内部结构作任何假设，从而实现了无需信任设备内部机制的安全分布式量子计算。

ABSTRACT

Self-testing protocols enable the certification of quantum systems in a device-independent manner, i.e. without knowledge of the inner workings of the quantum devices under test. Here, we demonstrate this high standard for characterization routines with superconducting circuits, a prime platform for building large-scale quantum computing systems. We first develop the missing theory allowing for the self-testing of Pauli measurements. We then self-test Bell pair generation and measurements at the same time, performing a complete self-test in a system composed of two entangled superconducting circuits operated at a separation of 30 meters. In an experiment based on 17 million trials, we measure an average CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) S-value of 2.236. Without relying on additional assumptions on the experimental setup, we certify an average Bell state fidelity of at least 58.9% and an average measurement fidelity of at least 89.5% in a device-independent manner, both with 99% confidence. This enables applications in the field of distributed quantum computing and communication with superconducting circuits, such as delegated quantum computing.

研究动机与目标

• 为实现远程超导量子比特的设备无关认证，这是实现安全分布式量子技术的关键一步。
• 在超导电路的自测协议中同时关闭局域性漏洞和检测漏洞。
• 为超导系统中的自测保罗测量建立理论框架。
• 在不假设设备内部结构的前提下，实现对纠缠态制备和测量操作的高保真度认证。
• 在30米距离的现实超导量子网络中，展示自测技术的实际可行性。

提出的方法

• 提出了一套新颖的理论框架，用于超导量子比特中保罗测量的自测，将设备无关认证扩展至测量过程。
• 通过空间分离的测量设置实施无漏洞贝尔测试，以关闭局域性漏洞，确保节点之间无经典通信。
• 通过使用高效率微波探测器和非线性Purcell滤波器，提高量子比特读出保真度，从而关闭检测漏洞。
• 使用可信随机数生成器并同步测量事件，对1700万次贝尔测试实验进行公平采样。
• 基于CHSH不等式，应用抗噪声自测分析方法，仅从观测相关性中认证量子态和测量的保真度。
• 采用置信区间估计（参考文献[60]）方法，以99%置信度推导出设备无关的态保真度和测量保真度边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不假设设备内部操作的前提下，对远程超导量子比特系统实现完全的设备无关自测？
• RQ2 何种理论框架可实现对超导电路中保罗测量的自测？
• RQ3 在30米分离距离的现实超导量子网络中，能否实现高保真度的纠缠和测量认证？
• RQ4 在超导系统中，自测协议在实验噪声和有限样本量下能容忍到何种程度？
• RQ5 是否可能在单次实验中实现对超导量子比特的态制备和测量的设备无关认证？

主要发现

• 实验在1700万次测试中获得平均CHSH S值为2.236，超过量子界限，证实了非局域性。
• 在99%置信度下，认证了贝尔态保真度至少为58.9%，表明在不假设源特性的情况下实现了高质量纠缠制备。
• 在99%置信度下，认证了测量保真度至少为89.5%，表明测量操作可靠且一致。
• 自测协议成功关闭了局域性和检测漏洞，确保认证真正实现设备无关。
• 结果验证了利用超导电路实现设备无关量子协议（如委托量子计算）的可行性。
• 所发展的理论可实现对超导系统中保罗测量的自测，填补了该平台设备无关认证的关键空白。