[論文レビュー] Enhancing Continuous Variable Quantum Teleportation using Non-Gaussian Resources

Eduardo Villaseñor, Robert Malaney|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ノイズの多いチャネルにおける連続変数量子トランスポートーションの忠実度を顕著に向上させる非ガウス状態リソースを生成するために、最適化された逐次的光子追加・除去（PA-PS）操作を提案する。従来のガウス的二モードスリッピング真空状態（TMSV）と比較して、光ファイバー回線では最大40%、人工衛星から地上へのチャネルでは70%以上、トランスポートーション距離を延長できる。特に高損失環境下での性能向上が顕著である。

ABSTRACT

Continuous Variable (CV) non-Gaussian resources are fundamental in the realization of quantum error correction for CV-based quantum communications and CV-based computing. In this work, we investigate the use of CV non-Gaussian states as quantum teleportation resource states in the context of the transmission of coherent and squeezed states through noisy channels. We consider an array of different non-Gaussian resource states, and compute the fidelity of state teleportation achieved for each resource. Our results show that the use of non-Gaussian states presents a significant advantage compared to the traditional resource adopted for CV teleportation; the Gaussian two-mode squeezed vacuum state. In fiber-based quantum communications, the range of quantum teleportation is increased by approximately 40% via the use of certain non-Gaussian states. In satellite-to-ground quantum communications, for aperture configurations consistent with the Micius satellite, the viable range of quantum teleportation is increased from 700 km to over 1200 km. These results represent a significant increase in the performance of pragmatic and realizable quantum communications in both terrestrial and space-based networks.

研究の動機と目的

• ノイズの多いチャネルにおける連続変数（CV）量子トランスポートーションの性能向上に、さまざまな非ガウス的リソース状態が与える影響を調査すること。
• 従来の研究が行わなかったPA-PS操作パラメータの完全な最適化を実施することで、既存研究の限界を克服すること。
• 非ガウス的リソース（例：PA-PS、PS、PA、PC、QS、SB）を用いた場合の、コherent状態およびスリッピング状態のトランスポートーション忠実度を、標準的なガウス的二モードスリッピング真空（TMSV）状態と比較すること。
• 地上（光ファイバー）および宇宙ベース（人工衛星から地上）の量子通信ネットワークにおける、これらの非ガウス的状態の実用的妥当性を評価すること。
• 現実の損失および余剰雑音条件下での、トランスポートーション距離および忠実度のロバストネス向上を定量すること。

提案手法

• 研究では、トランスポートーションプロセスをモデル化し、トランスポートされたコherent状態およびスリッピング状態の忠実度を計算するために、ウィグナー特性関数形式を採用する。
• 非ガウス的リソース状態は、逐次的光子追加（PA）および除去（PS）操作により生成され、忠実度を最大化するために、スリッピングパラメータrおよび利得g=1/ηに対して最適化が行われる。
• 分析には5種類の非ガウス的状態が含まれる：光子除去（PS）、光子追加（PA）、光子キャタリシス（PC）、量子スカイサーズ（QS）、スリッピングベルド状態（SB）。
• 現実的なチャネルモデルを用いる：光ファイバーでは、線形過剰雑音モデルϵ_fiber = aL + 6×10⁻⁴（a=5.3×10⁻⁵ km⁻¹）を採用。人工衛星から地上へのチャネルでは、アパーチャーサイズ（rsat=15 cm、rgs=50 cm）に依存し、平均透過率Tは500 kmで約0.06、1460 kmで約0.002となる。
• 忠実度はチャネル長Lの関数として計算され、古典的限界は2/3と設定され、この限界を超える最大距離が報告される。
• 最適化されたPA-PS状態の性能は、両チャネルタイプにおいて、他のすべての非ガウス的状態およびTMSV状態と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化された逐次的PA-PS操作は、CV量子トランスポートーションの忠実度において、標準的なガウス的TMSV状態を上回る非ガウス的リソース状態を生成できるか？
• RQ2 現実の光ファイバーおよび人工衛星から地上へのチャネル条件下で、さまざまな非ガウス的リソース状態を用いた場合、トランスポートされたコherent状態およびスリッピング状態の忠実度はどのように変化するか？
• RQ3 非ガウス的リソースを用いた場合、TMSV状態と比較して、どの程度の最大距離まで忠実度が古典的限界を超えるか？
• RQ4 PA-PS操作のパrameter最適化は、高損失環境下におけるCVトランスポートーションのロバストネスおよび通信距離にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非ガウス的状態は、地上および宇宙ベースの量子ネットワークにおける実用的CV量子トランスポートーションの実現可能性をどの程度まで向上させるか？

主な発見

• 最適化されたPA-PS状態により、光ファイバー回線におけるコherent状態の最大トランスポートーション距離は、TMSV状態の100 kmから140 kmに向上し、40%の改善が達成された。
• スリッピング状態の光ファイバー回線では、忠実度が古典的限界を超える最大距離が、TMSV状態の38 kmからPA-PS状態の65 kmに増加し、71%の改善が得られた。
• 人工衛星から地上へのチャネルでは、PA-PS状態により有効なトランスポートーション距離がTMSV状態の700 kmから1200 km以上に延長され、80%以上の増加が達成された。
• 低損失領域ではSB状態が最高の忠実度を達成するが、長距離量子通信に一般的に見られる高損失環境下では、PA-PS状態がすべての他の状態を上回った。
• パrameter最適化が行われない場合、PA-PS状態は光ファイバー回線で92 km未満、人工衛星回線で610 km未満にとどまり、最適化が性能向上に不可欠であることが示された。
• すべての距離範囲において、人工衛星から地上へのチャネルでトランスポートされたスリッピング状態の忠実度は古典的限界を下回った。これは、現在の非ガウス的リソースの性能が、この入力状態に対しては限界に達していることを示唆している。