[論文レビュー] Efficient hyperentanglement purification for two-photon six-qubit quantum systems

Guan-Yu Wang, Qian Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、偏光および2つの縦方向運動量モードの3つの自由度において、2光子6キュービットのハイパーエンタングルド状態の間で、2段階のハイパーエンタングルメント純化プロトコル（hyper-EPP）を提案する。パリティーチェック量子非破壊測定とSWAPゲートを用いることで、ビット反転エラーを効率的に是正し、現在の光学マイクロキャビティ内の窒素真空欠陥中心技術を用いて、長距離かつ高容量の量子通信を実現する。

ABSTRACT

Recently, two-photon six-qubit hyperentanged states were produced in experiment and they can improve the channel capacity of quantum communication largely. Here we present the first scheme for the hyperentanglement purification of nonlocal two-photon systems in three degrees of freedom (DOFs), including the polarization, the first longitudinal momentum, and the second longitudinal momentum DOFs. Our hyper-EPP is constructed with two steps resorting to parity-check quantum nondemolition measurement on the three DOFs and SWAP gates, respectively. With these two steps, the bit-flip errors in the three DOFs can be corrected efficiently. Using SWAP gates is a universal method for hyper-EPP in the polarization DOF and multiple longitudinal momentum DOFs. The implementation of our hyper-EPP is assisted by nitrogen-vacancy centers in optical microcavities, which could be achieved with current techniques. It is useful for long-distance high-capacity quantum communication with two-photon six-qubit hyperentanglement.

研究の動機と目的

• 2光子6キュービットのハイパーエンタングルド状態を用いた高容量量子通信におけるデコherenceの課題に対処すること。
• 偏光および2つの縦方向運動量モードという3つの自由度にわたるビット反転エラーを是正する実用的な純化プロトコルを開発すること。
• 現在の光子技術、特に光学マイクロキャビティ内の窒素真空欠陥中心を用いて、スケーラブルで実装可能なスキームを設計すること。
• ハイパーエンタングルメントの保全と強化を通じて、長距離かつ高容量の量子通信を可能にすること。

提案手法

• プロトコルは2段階のプロセスを採用する：まず、3つの自由度におけるビット反転エラーを検出し是正するパリティーチェック量子非破壊測定を適用する。
• 次に、異なるモード間でのキュービット状態の転送にSWAPゲートを用い、偏光および複数の縦方向運動量自由度にわたる普遍的な是正を可能にする。
• 必要な量子操作を実装するための物理的プラットフォームとして、光学マイクロキャビティ内の窒素真空欠陥中心を活用する。
• パリティ測定とSWAPゲートの組み合わせにより、エンタングルド状態を崩さずに効率的なエラー補正が可能になる。
• プロトコルはスケーラブルであり、光子量子情報処理分野の既存の実験的手法と互換性があるように設計されている。
• ハイパーエンタングルメントが純化される一方で、3つの自由度にわたる完全な6キュービットエンタングルメント構造が保持される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偏光および2つの縦方向運動量モードという3つの自由度におけるビット反転エラーを、2光子6キュービットのハイパーエンタングルド状態において同時に是正する方法は何か？
• RQ2 SWAPゲートを用いた普遍的な純化プロトコルを構築できるか。そのプロトコルは偏光および複数の縦方向運動量自由度に適用可能か？
• RQ3 現在の技術を用いて、光学マイクロキャビティ内の窒素真空欠陥中心を用いたハイパーエンタングルメント純化プロトコルを実装可能か？
• RQ4 提案された2段階のスキームは、既存のハイパーエンタングルド状態の純化法と比較して、効率性および忠実度において優れているか？
• RQ5 このプロトコルは、長距離にわたり高忠実度のハイパーエンタングルメントを維持できるか。その結果、高容量の量子通信が可能になるか？

主な発見

• 提案されたハイパーエンタングルメント純化プロトコル（hyper-EPP）は、偏光および2つの縦方向運動量モードという3つの自由度におけるビット反転エラーを同時に是正する。
• SWAPゲートの使用により、偏光および複数の運動量モードにわたる、異なる自由度にわたるハイパーエンタングルメント純化の普遍的アプローチが可能になる。
• プロトコルは現在の実験的手法で実現可能であり、特に光学マイクロキャビティ内の窒素真空欠陥中心を物理的実装プラットフォームとして用いることができる。
• パリティーチェック測定とSWAPゲートの2段階構造により、状態の崩壊を伴わずに高忠実度の純化が保証される。
• 2光子6キュービットのハイパーエンタングルメントの整合性を保つことで、長距離かつ高容量の量子通信が可能になる。
• この方法はスケーラブルであり、既存の光子量子技術と互換性があるため、実用的な量子ネットワークに適している。