[論文レビュー] Experimental control of remote spatial indistinguishability of photons to realize entanglement and teleportation

Kai Sun, Yan Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用数 6

ひとこと要約

この実験は、二つの光子間の遠隔空間的同一性を直接制御可能な量子資源として初めて示した。これにより偏光もつれ状態の生成と高精度な量子トランスポートーションが可能になった。空間的に局在した操作を用いて、遠く離れた場所における空間波動関数の重なりを調整することで、エンタングルメントの度合いがエントロピー的測度 $\mathcal{I}$ によって正確に制御され、古典的閾値（79.4% ± 1.6%）を超えるトランスポートーションの忠実度が達成された。

ABSTRACT

Remote spatial indistinguishability of identical subsystems as a direct controllable quantum resource at distant sites has not been yet experimentally proven. We design a setup capable to tune the spatial indistinguishability of two photons by independently adjusting their spatial distribution in two distant regions, which leads to polarization entanglement starting from uncorrelated photons. The amount of entanglement uniquely depends on the degree of remote spatial indistinguishability, quantified by an entropic measure $\mathcal{I}$, which enables teleportation with fidelities above the classical threshold. This experiment realizes a basic nonlocal entangling gate by the inherent nature of identical quantum subsystems.

研究の動機と目的

• 同じ光子の遠隔空間的同一性が直接的な量子資源として制御可能であることを実験的に示すこと。
• 遠隔空間的同一性の度合いとそれに続くもつれ状態との間の関係を、エントロピー的測度 $\mathcal{I}$ で定量化すること。
• 直接的な粒子間相互作用を必要とせず、同一粒子の固有の同一性に基づいて非局所的もつれゲートを実現すること。
• 粒子の局所性が定義できない状況においても、空間的に局在した測定と古典的通信（sLOCC）が、同一粒子を用いた量子情報処理のフレームワークとして有効であることを検証すること。
• 制御された同一性を主なもつれ資源として用い、高忠実度の量子トランスポートーションを実現すること。

提案手法

• 二つの遠く離れた操作領域（L および R）を備えた実験装置を構築し、光子は空間的に分離されているが、ファイバー結合器および波面整形を用いて波動関数を独立に調整可能であるようにした。
• 単一モードファイバーを介した単一光子検出器を用い、ベル基底における偏光状態を測定することで、量子トランスポートーションプロトコルを実現した。
• 空間的に局在した操作（sLOCC）フレームワークを適用し、測定を個々の粒子に対してではなく空間的に局所的に行うことで、同一性の非局所的性質を保持した。
• 遠隔空間的同一性の度合いを定量化するためのエントロピー的情報測度 $\mathcal{I}$ を用い、これがもつれ内容を直接決定することを確認した。
• 四光子同時計数測定を実施し、異なる経路からの光子間の時間的重なりと干渉可視度を検証した。半波長板（HWPs）を用いてベル状態への射影を実現した。
• 状態トモグラフィーにより量子プロセス行列 $\chi$ を再構成し、準備された状態とトランスポートされた状態を比較することで、トランスポートーションの忠実度を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ光子の遠隔空間的同一性は、実験的に調整可能な量子資源として制御可能か？
• RQ2 エントロピー的測度 $\mathcal{I}$ で定量化された遠隔空間的同一性の度合いは、もつれ状態およびトランスポートーションの忠実度にどのように影響するか？
• RQ3 直接的な相互作用を必要とせず、同一粒子の同一性に基づいて非局所的もつれゲートを実現できるか？
• RQ4 粒子の局所性が定義できない状況においても、sLOCCフレームワークが同一粒子を用いた信頼性の高い量子情報処理を可能にするか？
• RQ5 空間的同一性を主なもつれ資源として用いる場合、得られる最大のトランスポートーション忠実度はどの程度か？

主な発見

• 空間波動関数の制御を用いて、遠隔空間的同一性の度合いを実験的に調整可能であり、エントロピー的測度 $\mathcal{I}$ が主な制御パラメータとして機能した。
• 初期には相関のない光子から偏光もつれ状態が成功裏に生成され、もつれの強さは $\mathcal{I}$ に比例した。
• 四光子干渉可視度が87.9%に達し、遠く離れた源からの光子間の高い時間的および空間的重なりを確認した。
• 量子トランスポートーションの忠実度は実験的に（79.4 ± 1.6）% に測定され、古典的閾値の66.7%を超えており、プロトコルの成功を裏付けた。
• 再構成された量子プロセスマトリクス $\chi$ は、理想値1である主要な $\chi_{11}$ 成分を示しており、高忠実度の状態転送を確認した。
• 光子の経路が検出時に分離された場合、系は最大混合状態（もつれなし）に戻り、同一性がもつれの本質的要因であることを確認した。