[論文レビュー] Experimental investigating communication in a superposition of causal orders

Yu Guo, Xiao‐Min Hu+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光量子スイッチを用いて量子通信における因果的順序の重ね合わせを実験的に示し、古典的および量子情報伝送レートの両方を向上させることを実証した。制御キュービットを用いて操作の順序を量子的に制御することで、古典的因果的順序と比較して顕著な利点が得られることを示し、量子通信理論における理論的予測を裏付けた。

ABSTRACT

Quantum mechanics allows for the superposition of quantum states, thereby bringing about the great success of quantum communications. Recently, in the so-called quantum switch, the relative orders between quantum operations can also be coherently controlled with the help of an auxiliary system. In conventional quantum Shannon theory, however, communication channels are assumed to be combined in a classical way. Relaxing this assumption, it was shown theoretically that one can transmit information through a quantum switch. Here, we experimentally demonstrate this enhancement on the rates of communication for both classical and quantum information with the help of an optical quantum switch. Our results present evidence of the advantages of the superposition of causal orders in the communications domain.

研究の動機と目的

• 因果的順序の重ね合わせが、量子情報システムにおける通信レートを向上させうるかどうかを調査すること。
• 量子スイッチが古典的因果的順序を超えた情報伝送を可能にするという理論的予測を検証すること。
• 古典的および量子通信を対象として、光学的セットアップにおける量子スイッチの実験的実現と検証をすること。
• 通信容量および忠実度の観点から、因果的重ね合わせの利点を定量的に評価すること。

提案手法

• 制御アダマールゲートを用いて、2つの量子操作の順序を量子的に重ね合わせる光学的量子スイッチを実装した。
• 超位置にある制御キュービットが、ユニタリ操作の順序をエンタングルさせ、因果的順序の量子的重ね合わせを可能にした。
• 光子の偏光符号化キュービットを用いたフォトニックセットアップにおいて、古典的および量子情報伝送の両方をテストした。
• 干渉計的手法を用いてコherエンスを維持し、量子スイッチの安定した動作を確保した。
• 通信レートは、因果的順序が重ね合わされた状態と固定された状態との比較において、チャネル容量および忠実度を測定することで評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 因果的順序の重ね合わせは、量子チャネルにおける通信レートの向上をもたらすか？
• RQ2 因果的重ね合わせが古典的因果的順序と比較して、情報伝送においてどの程度の定量的利点をもたらすか？
• RQ3 量子スイッチは、古典的および量子通信容量をどのように向上させるか？
• RQ4 実際の実験的条件下およびデコherenceの影響を受ける状況でも、その利点は頑健か？

主な発見

• 因果的順序を重ね合わせた場合、固定された因果的順序と比較して、通信レートの顕著な増加が実験的に確認された。
• 古典的および量子情報伝送の両方のレートが、光学的量子スイッチの使用によって向上した。
• 因果的重ね合わせが量子通信において根本的な利点を提供するという理論的予測が、実験的に裏付けられた。
• 量子スイッチにより、操作の順序に対するコherエントロピー制御が可能になり、量子コherエンスが保持され、チャネル容量が向上した。