[論文レビュー] Calibration-Independent Certification of a Quantum Frequency Converter

Matthias Böck, Pavel Sekatski+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、検出損失が測定設定に依存しないという仮定の下で、検出器や光源のキャリブレーションに依存しない量子周波数変換器の認証手法を提示する。この手法により、キャリブレーションされた光源や検出器を必要とせず、ユニタリ操作の信頼できる検証が可能となり、通信周波数帯の変換されたイオン光子もつれ状態に対して、平均忠実度が84%以上、検出効率が3.1×10⁻⁶以上を達成した。信頼水準99%で評価された。

ABSTRACT

We report on a method to certify a unitary operation with the help of source and measurement apparatuses whose calibration throughout the certification process needs not be trusted. As in the device-independent paradigm our certification method relies on a Bell test, but it removes the need for high detection efficiencies by including the single additional assumption that non-detected events are independent of the measurement settings. The relevance of the proposed method is demonstrated experimentally with the certification of a quantum frequency converter. The experiment starts with the heralded creation of a maximally entangled two-qubit state between a single $^{40}$Ca$^+$ ion and a 854$\,$nm photon. Entanglement preserving frequency conversion to the telecom band is then realized with a non-linear waveguide embedded in a Sagnac interferometer. The resulting ion-telecom photon entangled state is characterized by means of a Bell-CHSH test from which the quality of the frequency conversion is quantified. We demonstrate the successful frequency conversion with an average certified fidelity of $\geq 84\,\%$ and an efficiency $\geq 3.1 imes 10^{-6}$ at a confidence level of $99\,\%$. This ensures the suitability of the converter for integration in quantum networks from a trustful characterization procedure.

研究の動機と目的

• キャリブレーションされた光源や測定装置に依存しない量子周波数変換器の認証手法の開発を目的とする。
• 実験装置の完全なキャリブレーションを仮定しないまま、量子ネットワークにおけるユニタリ操作の信頼できる特徴付けを可能にする。
• 測定不効率が現実的である条件下でも、最小限の仮定のもとでデバイス独立型認証を実現する。具体的には、検出不能な事象が測定設定に依存しないという仮定に限定する。
• 高信頼性かつ最小限の仮定で、実験的に実現可能な量子周波数変換の認証手法を提供すること。

提案手法

• 本手法は、トラップされたイオンと光子のもつれ状態に対してベル-CHSHテストを適用し、光源や測定装置のキャリブレーションを信頼しない形で量子周波数変換器（QFC）を認証する。
• 非検出イベントが測定設定に依存しないという仮定を採用する。これは物理的に妥当な条件であり、高い検出効率を必要としないため有効である。
• 観測された相関に基づく自己テストによって認証が行われ、QFCと検出装置を含む有効なチャネルのチョイ・忠実度が推定可能である。
• 確率的抽出マップを定義し、観測されたベルの不等号違反とQFCの忠実度を関連づけることで、チャネル性能の下界を導出可能である。
• トラップされた⁴⁰Ca⁺イオンを用いて、854 nmの光子と最大もつれ状態を生成し、その後、サジャック干渉計内に配置された非線形波導路を用いて偏光を保ったまま1550 nmへの周波数変換を実行する。
• 認証プロトコルの成功確率は、条件付き検出確率に対して上限が与えられ、実験データから直接推定可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子周波数変換器は、光源や測定装置のキャリブレーションを信頼しない状態で認証可能か？
• RQ2 現実的な検出不効率の下で、ユニタリ操作のデバイス独立型認証が可能か？
• RQ3 高い検出効率を必要とせずに、量子チャネルを認証するために必要な最小限の仮定は何か？
• RQ4 観測された相関のみを用いて、忠実度と効率を信頼性を持ってどのように定量できるか？
• RQ5 損失が測定設定に依存しない場合に、ベル-CHSHテストを用いて非理想的な量子チャネルを自己テストできるか？

主な発見

• 実験により、トラップイオンと光子のもつれ状態を用いたベル-CHSHテストを用いた、キャリブレーションに依存しない量子周波数変換器の認証が実現された。
• 99%信頼水準で、周波数変換プロセスの平均認証忠実度は84%以上であった。
• イオン状態の読み出しに成功した条件下での通信周波数帯光子の検出確率は、99%信頼水準で3.1×10⁻⁶以上であった。
• 検出効率が高くなくても、非検出イベントが測定設定に依存しないという仮定に限定することで、認証が可能である。
• 認証プロトコルの成功確率は、条件付き検出確率の半分以上に保証されており、実験データから直接推定可能である。
• 結果は、QFCが将来の量子ネットワークへの統合に適していることを、信頼性があり最小限の仮定に基づく認証手順によって裏付けた。