[論文レビュー] Bell inequality violation with two remote atomic qubits

Dzmitry Matsukevich, Peter Maunz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2008

Quantum Information and Cryptography被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、1メートル離れた2つのリモートヨットビウムイオン間で、光子干渉を介した報知付きもつれと検出の不確実性を閉じたことで、初めてベル不等式の破れを実証した。原子のキュービットをハイパーフィン構造に、光子のキュービットを偏光に符号化することで、81%のもつれの忠実度を達成し、S = 2.22 ± 0.07を観測。これは古典的境界を3標準偏差以上上回っている。

ABSTRACT

We observe violation of a Bell inequality between the quantum states of two remote Yb ions separated by a distance of about one meter with the detection loophole closed. The heralded entanglement of two ions is established via interference and joint detection of two emitted photons, whose polarization is entangled with each ion. The entanglement of remote qubits is also characterized by full quantum state tomography.

研究の動機と目的

• 2つのリモート原子キュービット間のベル不等式テストにおける検出の不確実性を閉じること。
• 光子リンクを用いて捕獲された171Yb+イオン間で長距離もつれを実証すること。
• 不確実性のないベルテストに適した高忠実度のイオン-イオンもつれを達成すること。
• 検証のためのリモートもつれイオンの完全な量子状態トモグラフィーを可能にすること。
• スケーラブルな量子ネットワークおよび安全な量子通信への道筋を築くこと。

提案手法

• 369.5 nmの励起パルスを用いて、各171Yb+イオンと光子をもつれて、イオン状態と光子の偏光の重ね合わせ状態を生成する。
• 波長板を用いて光子を円偏光から線形偏光に変換し、共同測定を可能にする。
• 2つの光子をビームスプリッタで干渉させ、ベル状態測定を実行し、リモートのイオン間のもつれを報知する。
• 高効率なイオン状態検出と高速測定を用いて、検出の不確実性を閉じる。
• イオンに対して局所的な回転と測定を行い、CHSH相関関数E(θa, θb)を評価する。
• CHSH不等式を適用：S = |E(θa, θb) + E(θ′a, θb)| + |E(θa, θ′b) − E(θ′a, θ′b)| ≤ 2 を用いて局所実在主義をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出の不確実性を閉じた状態で、2つのリモート原子キュービット間のベル不等式が破れるか？
• RQ2 光子を介した報知付きもつれによって生成されたイオン-イオンもつれ状態の忠実度は何か？
• RQ3 実験装置は、リモートもつれの完全な量子状態トモグラフィーをどのように可能にしているか？
• RQ4 この光子を介したイオンもつれプロトコルにおけるもつれ忠実度の制限要因は何か？
• RQ5 このプロトコルは、より大きな距離での不確実性のないベルテストにスケーリング可能か？

主な発見

• 実験ではCHSHパラメータS = 2.22 ± 0.07を観測し、古典的境界の2を3標準偏差以上上回った。
• 量子状態トモグラフィーにより、イオン-イオンもつれの忠実度は81.3% ± 1.5%と測定され、高忠実度のもつれが確認された。
• もつれの濃度は0.64 ± 0.03、もつれの生成量は0.52 ± 0.04であり、顕著なもつれが存在することが示された。
• すべての報知付きもつれイベントの後にイオンキュービットの測定が行われたため、検出の不確実性は閉じられた。
• 最適化された励起と光子収率のおかげで、もつれ生成レートは従来の実験比で13倍向上した。
• 主な忠実度損失要因は、イオン検出効率（3%）、磁場の揺らぎ（2%）、干渉対比度（9 ± 3%）である。