[论文解读] Demonstration of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware

Kazuki Ikeda|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 35被引用 6

一句话总结

该论文通过使用IBM的云量子计算机，在真实的超导量子硬件上实现了量子能量 teleportation（QET）。通过应用局部操作与经典通信（LOCC）并结合量子误差缓解技术，作者成功地在两量子比特系统中实现了能量的远距离传输，实验结果与理论预测一致，验证了QET作为当前含噪声中等规模量子（NISQ）技术下可行协议的潜力。

ABSTRACT

Teleporting physical quantities to remote locations is a remaining key challenge for quantum information science and technology. Quantum teleportation has enabled the transfer of quantum information, but teleportation of quantum physical quantities has not yet been realized. Here we report the realization and observation of quantum energy teleportation on real superconducting quantum hardware. We achieve this by using several IBM's superconducting quantum computers. The results are consistent with the exact solution of the theory and are improved by the mitigation of measurement error. Quantum energy teleportation requires only local operations and classical communication. Therefore our results provide a realistic benchmark that is fully achievable with current quantum computing and communication technologies.

研究动机与目标

• 在真实量子硬件上实验验证量子能量 teleportation（QET）协议，该协议可通过量子纠缠与经典通信实现远程能量提取。
• 证明QET可在当前含噪声中等规模量子（NISQ）设备，特别是超导量子比特上实现。
• 开发并发布可复现于任意IBM量子设备的开源QET量子线路。
• 在有无测量误差缓解的情况下，对多个IBM量子处理器（ibmq lima、ibmq jakarta、ibm cairo）的QET性能进行基准测试。
• 建立一种可扩展且通用的QET框架，适用于更大规模的量子网络和多体系统。

提出的方法

• 使用可调参数h和k的两量子比特哈密顿量实现最小化QET模型，以控制基态纠缠与能量分布。
• 设计一种量子线路协议，对一个量子比特（爱丽丝）执行局部测量，通过经典通信传递结果，并对另一量子比特（鲍勃）应用条件操作，实现能量的远程传输。
• 采用测量误差缓解技术，以减少真实量子硬件上期望值测量中的噪声引起的误差。
• 将IBM的ibmq lima、ibmq jakarta和ibm cairo处理器的实验结果与解析解及qasm模拟器的仿真结果进行对比。
• 对多个参数集（h,k）应用该协议，以验证其在不同纠缠与能量区域下的鲁棒性与一致性。
• 公开发布量子线路，并提供设备属性的实时访问，以确保可复现性与透明度。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子能量 teleportation 是否可在实际的超导量子处理器上实现？
• RQ2 测量误差缓解在NISQ设备上对QET期望值的保真度与准确性有何影响？
• RQ3 真实量子硬件的实验结果在多大程度上与QET的精确理论预测相符？
• RQ4 QET协议是否可在当前一代量子硬件上以低深度电路（深度 ≤ 6）实现？
• RQ5 QET协议是否具备可扩展性与通用性，适用于更大规模的量子网络和多体系统？

主要发现

• 量子能量 teleportation 成功在IBM的ibmq lima、ibmq jakarta和ibm cairo超导量子处理器上实现，且实现了对硬件的实时访问。
• 在ibmq lima上，经误差缓解后的结果为⟨E0⟩ = 0.9423 ± 0.0032（当(h,k) = (1, 0.2)时），与解析值0.9806高度一致。
• 当(h,k) = (1, 1)时，ibmq lima上误差缓解后的⟨E0⟩为0.6560 ± 0.0031，与解析值0.7071相比表现出强烈一致性，表明误差校正后结果准确。
• 未经缓解的结果与理论值偏差显著，ibmq lima上当(h,k) = (1, 0.2)时，⟨E0⟩ = 0.9049 ± 0.0017，凸显了误差缓解的必要性。
• 该协议在多个设备上均表现出一致结果，ibm cairo上误差缓解后的⟨H1⟩与⟨V⟩值在所有测试的(h,k)参数下均与解析期望值高度吻合。
• 本研究证实，QET是一种通用的、基于LOCC的协议，仅通过局部操作与经典通信即可利用基态中预先存在的纠缠从远程系统中提取能量。