[论文解读] Preserving entanglement during weak measurement demonstrated with a violation of the Bell-Leggett-Garg inequality

T. White, Mutus, J. Y.+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本论文通过在超导量子比特上进行混合贝尔-莱格特-加尔不等式（BLGI）实验，展示了在弱测量过程中量子纠缠的保持。通过结合空间纠缠（CHSH）与时间上的弱测量，研究实现了约2.5的BLGI违背，证实了在最小测量反作用下仍存在非经典关联，且通过优化绝热CZ门和自旋回声技术，实验保真度得到提升。

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.

研究动机与目标

• 通过在单一实验中结合空间纠缠与时间弱测量，检验局域实在论与量子力学的相容性。
• 通过使用弱测量最小化对纠缠量子比特的测量反作用，以避免莱格特-加尔不等式中的‘笨拙测量’漏洞。
• 通过优化脉冲序列并减少退相干效应，实现在弱测量过程中量子纠缠的保持。
• 实现对贝尔-莱格特-加尔不等式（BLGI）的稳健违背，作为弱测量下非经典行为的标志。
• 以CHSH关联为最大纠缠保真度的参考，将实验性能与理论极限进行基准对比。

提出的方法

• 通过将CHSH型空间纠缠与辅助量子比特上的弱测量相结合，构建了混合贝尔-莱格特-加尔不等式（BLGI），以同时检验局域实在论与宏观实在论。
• 利用ORBIT协议优化参数的绝热受控-Z（CZ）门，实现对贝尔态量子比特测量反作用最小化的弱测量。
• 在脉冲序列中应用自旋回声脉冲，以抵消退相干效应并保持相干性，将初始|Ψ⁺⟩态转换为|Ψ⁻⟩态，同时不改变BLGI结果。
• 采用超宽带参量放大器（IMPA）以提高信噪比并减少读出时间，从而提升测量保真度。
• 在单次实验运行中完成所有三项LGI测量，通过弱测量与态制备实现，避免了顺序测量带来的反作用。
• 基于最大CHSH违背（不一定是π/4）校准探测器角度，以考虑量子比特特有的退相干与非理想性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱测量过程中，纠缠是否能够保持，同时仍违背贝尔-莱格特-加尔不等式？
• RQ2 实验中的不完善因素（如退相干与测量误差）在多大程度上影响BLGI违背的幅度？
• RQ3 辅助量子比特的测量强度在多大程度上影响主贝尔量子比特中纠缠的坍缩？
• RQ4 单一实验构型是否能够同时测量BLGI的所有项，从而避免顺序测量反作用？
• RQ5 在具备优化脉冲序列的真实超导量子比特条件下，BLGI违背的最大可实现值是多少？

主要发现

• 实验实现了约2.5的BLGI违背，接近理论最大值2√2 ≈ 2.828，表明存在强烈的非经典行为。
• 由于实验不完善，CHSH关联器的最大值达到约2.5，未达到理想值2√2，原因在于退相干与测量误差。
• 对应于对两个辅助量子比特进行弱测量的项$E(\beta_1, \beta_2)$，随着测量强度降低，呈现S形增长，从0增至约1/√2 ≈ 0.707。
• 项$E(\beta_1, \beta_2)$、$E(\beta_1, \beta_2)$与$E(\beta_1, \beta_2)$表现出不同行为：$E(\beta_1, \beta_2)$随弱测量增强而上升，而$E(\beta_1, \beta_2)$与$E(\beta_1, \beta_2)$收敛至±0.5。
• $E(\beta_1, \beta_2)$项与理论预测最为吻合，证实弱测量可保持纠缠并实现BLGI违背。
• 通过ORBIT对绝热CZ门进行数值优化，通过调整单量子比特相位约3度，提升了关联性，从而增强了整体BLGI违背。