[論文レビュー] An Introduction to Quantum Teleportation

Adam Miranowicz, Kiyoshi Tamaki|ArXiv.org|Feb 14, 2003

Quantum Information and Cryptography参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、もつれと古典的通信を用いて、未知の量子状態を1つの粒子から別の粒子へ転送する方法を説明することで、量子トランスポートの包括的な紹介を提供している。Bennettらの量子ビットトランスポートのプロトコルを詳細に説明し、光子や原子系における物理的実現を示し、スケーラブルな量子情報技術の基盤を支えるもつれスワッピングと精錬についても議論している。

ABSTRACT

Recent experiments confirm that quantum teleportation is possible at least for states of photons and nuclear spins. The quantum teleportation is not only a curious effect but a fundamental protocol of quantum communication and quantum computing. The principles of the quantum teleportation and the entanglement swapping are explained, and physical realizations of teleportation of optical and atomic states are discussed.

研究の動機と目的

• 量子情報科学におけるコアプロトコルとしての量子トランスポートの理論的基盤と実験的実現可能性を説明すること。
• 物理的伝送なしに状態転送を可能にするもつれとベル状態測定の役割を明確にすること。
• 現実世界の実装における不完全なもつれの課題に言及し、もつれ精錬を解決策として導入すること。
• マクロまたは複雑な系、特に生物へのトランスポートの可能性と限界を検討すること。
• 量子コンピューティングおよび量子通信ネットワークの基本的構築要素としての量子トランスポートの位置づけを示すこと。

提案手法

• 論文は、ベル状態測定（BSM）を用いたBennettらのトランスポートプロトコルを概説し、量子ビットともつれ状態にある補助粒子に対して適用する。
• BSMの結果を古典的通信で送ることで、ボブがもつれ状態にある自身の粒子に対してユニタリ操作を施し、元の状態を再構築できることを説明する。
• プロトコルは、多値および連続変数系へ一般化され、光子の偏光、原子スピン状態、キャビティ内光子数状態などの例を含む。
• 中間のもつれペアを測定することで、互いに相互作用のない粒子間にももつれを生成する方法としてもつれスワッピングを導入する。
• 局所操作と古典的通信（LOCC）を用いた局所的処理により、ノイズの多いEPRペアを精錬する技術としてもつれ精錬を説明する。
• 理論的概念の妥当性を裏付けるために、Zeilingerの1997年の光子トランスポート実験や、Polzikの2001年のマクロな原子もつれ実験を引用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的粒子の移動なしに、未知の量子状態を1地点から別の地点へどのようにトランスポートできるか？
• RQ2 もつれが非局所的状態転送を可能にする役割は何か？
• RQ3 光子系および原子系における量子トランスポートの物理的実現方法は何か？
• RQ4 もつれ精錬を用いて、ノイズ環境下でももつれを保持・精錬する方法は何か？
• RQ5 マクロまたは生物的系へのスケーリングにおける量子トランスポートの根本的限界は何か？

主な発見

• 1993年に提唱された理論的プロトコルが、光子および核スピン状態において実験的に確認された。
• 物理的量子系の移動なしに、古典的通信と共有もつれのみを用いて完全な状態転送が可能である。
• もつれスワッピングにより、互いに接触していない粒子間にももつれを生成でき、長距離量子ネットワークの実現を可能にする。
• もつれ精錬は、局所的フィルタリング（KwiatとGisin, 2001）および集合的演算（Imoto, 2003）を用いた実験的実現がなされ、ノイズの多いEPRペアの精錬を可能にした。
• 10^12原子のガス雲におけるマクロなもつれ（Polzik, 2001）は、バルク性質のトランスポートの可能性を示しているが、全原子状態のトランスポートは依然として現実的ではない。
• 人間や複雑な生物へのトランスポートは、現在のところ不可能である。約10^27個の原子が必要な個々の測定と再構築が不可欠であり、その規模は天文学的である。