論文の概要: Quantum Reference Frames in Quantum Circuits: Perspective Dependent Entangling Cost and Coherence Entanglement Trade Offs

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.12645v1
• Date: Sun, 14 Dec 2025 11:21:50 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-16 17:54:56.360015
• Title: Quantum Reference Frames in Quantum Circuits: Perspective Dependent Entangling Cost and Coherence Entanglement Trade Offs
• Title（参考訳）: 量子回路における量子参照フレーム:視点依存型エンタングリングコストとコヒーレンスエンタングルメントトレードオフ
• Authors: Salman Sajad Wani, Saif Al-Kuwari,
• Abstract要約: 本稿では,量子参照フレームが回路ベースの量子情報処理に与える影響について検討する。 ゲートレベル辞書は、あるフレーム内のローカル操作を別のフレーム内のイメージにマッピングする。 我々は,IBM超伝導量子プラットフォーム上に対応する回路を実装した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The perspective-neutral formulation of quantum reference frames (QRFs) treats observers as quantum systems and describes physics relationally from within the composite system. While frame-change maps and frame-invariant resource sums are theoretically understood, their impact on circuit-based quantum information processing has largely remained unexplored. We formulate QRF transformations as circuit compilation rules and, for systems with finite Abelian symmetry described by the regular representation, derive a gate-level dictionary that maps local operations in one frame to their images in another. This yields a group-theoretic classification of gates where symmetry-commuting operators remain local, up to frame-dependent phases, while generic gates are promoted to controlled entangling operations in which the original frame acts as a control register. The resulting frame-dependence entangling-gate count defines a relational circuit complexity where the cost of a computation depends on the internal reference frame of the observer. We instantiate the framework in a three-qubit model and show that the QRF unitary acts as a lossless converter between a purity-based local coherence and concurrence, preserving their invariant sum and giving a concrete realization of the relativity of entanglement. We implement the corresponding circuits on an IBM Quantum superconducting platform, using full state tomography to reconstruct the redistribution of resources between internal frames. The hardware data reproduce the predicted conversion of local coherence into entanglement, and the observed deviations from exact conservation quantify the effect of realistic device noise on relational quantum protocols.
• Abstract（参考訳）: 量子参照フレーム(QRF)のパースペクティブニュートラルな定式化は、観測者を量子系として扱い、複合系の内部から物理を関係的に記述する。 フレーム変化マップとフレーム不変資源和は理論的に理解されているが、回路ベースの量子情報処理に対する影響はほとんど未解明のままである。 回路コンパイル規則としてQRF変換を定式化し、正規表現によって記述される有限アベリア対称性を持つシステムでは、あるフレーム内の局所演算を別のフレーム内の画像にマッピングするゲートレベル辞書を導出する。 これにより、対称性交換作用素がフレーム依存位相まで局所的に残るゲートの群論的分類が得られ、ジェネリックゲートは元のフレームが制御レジスタとして機能する制御エンタングリング操作に昇格する。 結果として生じるフレーム依存エンタングリングゲート数(英語版)は、計算のコストがオブザーバの内部参照フレームに依存するリレーショナル回路の複雑さを定義する。 フレームワークを3量子モデルでインスタンス化し、QRFユニタリが純度に基づく局所コヒーレンスとコンカレンスの間の損失のないコンバータとして機能し、その不変和を保存し、絡み合いの相対性の具体的な実現を与えることを示す。 我々は、内部フレーム間のリソースの再分配を再構築するためにフルステートトモグラフィーを用いて、IBM量子超伝導プラットフォーム上で対応する回路を実装した。 ハードウェアデータは、予測された局所コヒーレンスの絡み合いへの変換を再現し、観測された正確な保存からの偏差は、リレーショナル量子プロトコルに対する現実的なデバイスノイズの影響を定量化する。

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