[論文レビュー] A high-speed optical link to entangle quantum dots

Cody Jones, Kristiaan De Greve+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、急速連続発光と失光イベントの効率的同定を用いて、長距離にわたる量子ドットをエンタングル化する高速光プロトコルを提案する。エンタングルメント率がβに比例するのではなく√βに比例することにより、従来の手法と比較して通信速度が1〜2桁向上する。実験的実現可能性は、通信波長帯への変換と既存の量子ドットプラットフォームを用いて示された。

ABSTRACT

A long-distance quantum network for distributing entangled states would support novel information applications, such as unconditionally secure cryptography and distributed quantum computing. Realizing such a network requires hardware that can reliably and efficiently establish entanglement over long distances, despite challenges like loss and transmission delay. We propose a new scheme for distributing entanglement that increases communication rates one to two orders of magnitude over existing protocols. The method is less sensitive to overall system loss because it transmits many signals within one round-trip-time window and efficiently discriminates lost-photon events. While the scheme applies to many types of matter qubits, we analyze a specific implementation with optical quantum dots, showing that the method uses practical hardware consistent with recent experiments.

研究の動機と目的

• 長距離量子ネットワークにおける遠く離れた量子ドット間でエンタングルメントを効率的に分布させる、スケーラブルで高レートな手法の開発。
• 光子損失と失光イベントの非効率的検出が原因で、既存プロトコルに内在する通信速度の低さという根本的制限を克服すること。
• 既存の量子ドットハードウェアと通信波長帯対応の光コンponentsを用いた実用的実装を可能にすること。
• 時間多重光子伝送と部分的ベル状態測定を用いることで、システム損失に対する耐性を高め、エンタングルメント分配レートを向上させること。
• マルコフ連鎖モデルを用いてプロトコルの性能を検証し、エンタングルメント生成レートの閉形式表現を導出すること。

提案手法

• プロトコルは、電気光変調器を用いて、2つの遠く離れた量子ドットからスピン光子エンタングルド光子を高速で逐次発光させる。
• 光子は周期的ポールリチウムニオブート酸ウェーブガイドを用いて1550 nmにダウンコンvertedされ、低損失のファイバー伝送が可能になる。
• 中間点ベル状態測定（BSM）装置が、ホン＝オウ＝マーティン効果を用いて干渉を実現し、遠隔の量子ドットスピンを最大エンタングルド状態のスイングル状態に射影する。
• 各受信機が成功したBSM後、nサイクル間「閉じる」（非活性化）される時間多重制御プロトコルが採用され、n = τt / τc で定義される。これにより、レースコンディションや誤った一致を回避する。
• 簡略化されたマルコフ連鎖モデルを用いて、成功した一致BSMの定常確率を計算し、エンタングルメントレート G2 = nβ2 / [τt(1 + n(2√β2 − β2))] の導出が可能になる。
• 時間ビンエンタングルメントを用いた部分的ベル状態測定により、1回の試行あたりの成功確率が25%から50%に向上し、全体の効率が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子損失が存在する中で、急速連続発光と効率的な失光同定を用いた高速光プロトコルが、量子ドット間の長距離エンタングルメント分配レートを顕著に向上させ得るか？
• RQ2 急速連続発光と効率的な失光同定を用いることで、従来のプロトコルと比較して通信速度がどのように向上するか？
• RQ3 実際のチャネル損失と伝送遅延条件下で、理論的に達成可能なエンタングルメントレートの上限は何か？
• RQ4 時間多重制御プロトコルは、誤った一致を防ぎ、信頼性の高いエンタングルメントスワッピングをどのように保証するか？
• RQ5 本プロトコルは、既存の量子ドットおよび通信波長帯光コンponentsを用いて、どの程度実装可能か？

主な発見

• エンタングルメント生成レートはβに比例するのではなく√βに比例し、従来のプロトコルと比較して通信速度が1〜2桁向上する。
• 理論的エンタングルメントレートは G2 = nβ2 / [τt(1 + n(2√β2 − β2))] で与えられ、チャネル損失β2、伝送遅延τt、クロックサイクル時間τc に依存する。
• 成功した一致BSMの定常確率は π(0,0) = 1 / (1 + n(2√β2 − β2)) で与えられ、これがエンタングルメント生成の有効レートを決定する。
• 簡略化されたマルコフ連鎖モデルにより、システムの均衡分布が(0,0)状態に支配されていることが確認され、π[0] = 1 / (1 + n(2√β2 − β2)) となる。
• プロトコルは非対称なチャネルパラメータに対してもロバストであり、量子ドット以外の物質キュービット系へも応用可能である。
• 既存の量子ドットプラットフォームと通信波長帯変換を用いた実験的実現可能性が示され、標準的な光コンponents以外に新しいハードウェアは不要である。