[论文解读] Experimental Realization of Quantum Violation of Entropic Noncontextual Inequality in Four Dimension Using IBM Quantum Computer

Suvadeep Roy, Bikash K. Behera+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 35被引用 6

一句话总结

该论文通过五量子比特IBM Quantum Experience，在四维量子系统中实验验证了纠缠熵非定域性不等式的量子违背。通过制备特定叠加态并测量五个循环对易可观测量的联合熵与边缘熵，作者观察到经典纠缠熵不等式出现显著违背，证实了量子力学的语境性，并在真实量子处理器中否定了局部隐变量模型。

ABSTRACT

In quantum information theory, entropic inequalities act as the necessary and sufficient conditions to noncontextuality. Here, we first experimentally demonstrate the violation of the entropic noncontextual inequality in a four-level quantum system, by using the five-qubit IBM quantum computer. The experimental result disproves the existence of a local realist model.

研究动机与目标

• 通过真实量子计算机实验测试四水平量子系统中纠缠非定域性不等式的违背。
• 证明量子力学无法用非定域性隐变量理论描述，这与贝尔-科亨-斯佩克尔定理的预测一致。
• 通过物理量子处理器验证高维系统中纠缠语境性的理论框架。
• 探索使用五个和九个可观测量分别实现态依赖与潜在态无关违背的可行性。

提出的方法

• 本研究使用IBM Quantum Experience的五量子比特处理器（ibmqx4）实现量子线路，以测量五个循环对易可观测量的联合熵与边缘熵。
• 通过特定旋转角度（α = 2.9306，β = 2.9306 和 β = -5.7112）的单量子比特U3门制备量子态 |ψ_s1⟩ 和 |ψ_s2⟩，在四维希尔伯特空间中创建叠加态。
• 通过表达式 M = H(X₅X₁) - H(X₁X₂) - H(X₂X₃) - H(X₃X₄) - H(X₄X₅) 评估纠缠非定域性不等式，其中 H 表示测量结果的香农熵。
• 每个线路的测量执行8192次，实验概率用于计算单个与联合可观测量的香农熵。
• 使用两组可观测量：一组为 σZ⊗σZ、σX⊗σX、σX⊗I、σX⊗σZ、I⊗σZ，另一组为不同的泡利组合，以实现不同测量语境下违背的对比。
• 通过计算 M 值量化违背；正值表明存在量子语境性，并否定了非定域性隐变量模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实量子处理器上，于四维量子系统中实验违背纠缠非定域性不等式？
• RQ2 该违背是否依赖于量子态与可观测量集合的选择？是否可在多种配置中观察到？
• RQ3 IBM Quantum Experience平台能否可靠地实现并测量测试纠缠语境性所需的联合与边缘熵？
• RQ4 该违背是否足够稳健，足以在真实量子系统中排除非定域性隐变量模型？

主要发现

• 纠缠非定域性不等式在实验中被违背，M|ψ_s1⟩ = 0.31094，表明第一组态与可观测量中存在强烈的量子语境性。
• 第二组态与可观测量也观察到显著违背，M|ψ_s2⟩ = 0.12597，证实了在不同配置下的鲁棒性。
• 对 |ψ_s1⟩ 测得的边缘熵如 H(X₂) = 1.64585 和 H(X₃) = 1.64896 表明高度不确定性，与四水平系统中的量子叠加一致。
• 联合熵如 H(X₂X₃) = 1.27965 和 H(X₃X₄) = 1.28397 表明强相关性，共同促成经典界被整体违背。
• 结果证实，量子力学无法用非定域性隐变量模型描述，因为两种实验运行中均违背了纠缠不等式。
• 本研究展示了利用纠缠度量在近期量子硬件上测试高维量子语境性的可行性。