[論文レビュー] Experimental demonstration of an entanglement-based quantum router

X.-Y. Chang, Y. X. Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、制御光子の偏光状態を用いて、標的の単一光パルスの経路を量子もつれに基づいて相干的かつ制御可能に切り替える完全に機能するもつれ型量子ルーターを実証した。制御光子を射影測定により任意の重ね合わせ状態に準備することで、標的光子を複数の経路にわたって相干的ルーティングでき、量子状態トモグラフィーによる検証で平均量子ルーティング優先度が93.24% ± 0.23%に達した。これは、量子動作が確認されたことを示している。

ABSTRACT

We report an experiment that demonstrates full function of a quantum router using entangled photons, where the paths of a single-photon pulse are controlled in a coherent fashion by polarization of another single photon. Through a projective measurement, we prepare the polarization of the control photon in arbitrary superposition states, leading to coherent routing of the target photon in quantum superposition of different paths. We demonstrate quantum nature of this router through optical measurements based on quantum state tomography and show an average fidelity of $(93.24\pm 0.23)%$ for the quantum routing operation.

研究の動機と目的

• 単一光子の相干的・重ね合わせに基づくルーティングを可能にする完全に機能する量子ルーターの実現。
• 制御光子と標的光子のもつれを活用し、量子もつれを保ったまま経路を制御可能なルーティングを実現。
• 量子状態トモグラフィーを用いてルーティング動作の量子的性質を厳密に確認。
• 射影測定により制御光子を任意の重ね合わせ状態に準備することで、高優先度のルーティングを達成。

提案手法

• エンタングルド光子対を自己準位変換による非線形効果を用いて生成し、初期リソース状態を構築。
• 制御光子の偏光状態を射影測定により任意の重ね合わせ状態に投影。
• 制御光子の測定された偏光状態に応じて、標的光子の経路を相干的にルーティング。
• ルーティング動作の量子的性質を検証するため、出力状態に対して量子状態トモグラフィーを実施。
• 実験的出力状態と理想状態を比較することで、ルーティングプロセスの優先度を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれと射影測定を用いた量子ルーターは、単一光子を複数の経路にわたって相干的にルーティング可能か？
• RQ2 制御光子の偏光重ね合わせ状態が、標的光子のルーティング経路に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 量子ルーティング動作の優先度は何か？また、このプロセスの量子もつれ性が確認できるか？
• RQ4 量子状態トモグラフィーと優先度解析により、ルーター動作が量子的であることが検証可能か？

主な発見

• 量子ルーターは、もつれた制御光子の偏光状態に基づき、単一の標的光子を複数の経路にわたって効果的に相干的にルーティングした。
• 量子ルーティング動作の平均優先度は93.24% ± 0.23%に達し、高優先度の状態転送が実現された。
• 量子状態トモグラフィーにより、ルーティングプロセスの量子的性質が確認され、経路の相干的重ね合わせが実証された。
• 制御光子に対する射影測定により、任意の重ね合わせ状態が実現可能であり、柔軟かつ相干的な経路選択が可能となった。
• 結果は、もつれと測定誘発制御を用いたスケーラブルな量子ネットワーク機能の実現可能性を裏付けた。