[論文レビュー] Experimental multi-level quantum teleportation

Xiao‐Min Hu, Chao Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、経路モードの自由度と補助のエンタングルド光子を用いて、三次数元のベル状態測定を実行する六光子系を用いて、多次元光子状態の決定的三次元量子トランスポートを実証している。実験では、古典的限界である0.5を超える0.630以上のトランスポート保全度を達成し、より高い次元のヒルバート空間における複雑な量子状態の遠隔再構築を可能にしている。

ABSTRACT

Quantum teleportation provides a way to transmit unknown quantum states from one location to another via previously shared quantum entanglement and classical communications. Discrete variable states and continuous variable states in one degree of freedom have been transported. Recent work has also demonstrated the capability of teleporting multiple degrees of freedom of a single photon [13]. These advances enable the quantum teleportation technique to transport the states of quantum systems reliably. However, in the quantum world, multi-level systems such as the single atom of quantized energy and the single photon of orbital angular momentum are more prevalent. Therefore, to completely rebuild the quantum states of a single particle remotely, one needs to teleport multi-level states. However, performing a deterministic multi-level Bell state measurement, a key step in quantum teleportation, remains a challenge. Here, we demonstrate the teleportation of multi-level states of a single photon in a three-dimensional six-photon system. We exploit the path mode of a single photon as the multilevel system, use two auxiliary entangled photons to realize a deterministic three-dimensional Bell state measurement. Therefore we can teleport three-level states to another photon assisted by pre-shared entangled two-photon three-level states and classical communications. The teleportation fidelities are all above 0.630, and obviously exceed the classical limit 0.5. Our work paves the way to rebuild complex quantum systems remotely and to construct complex quantum networks.

研究の動機と目的

• 単一光子の三次数元状態を、特に三次元ヒルバート空間における多次元量子状態の決定的トランスポートを達成すること。
• 高次元量子トランスポートにおける重要な障壁である、決定的多次元ベル状態測定を実現すること。
• 事前共有のエンタングルメントと古典的通信を用いて、多次元状態をトランスポートし、複雑な量子系を遠隔で再構築すること。
• 高精度のトランスポートが三次数元系で実現可能であることを示し、スケーラブルな量子ネットワークへの道筋を示すこと。

提案手法

• 多次元系は、単一光子の経路自由度に符号化され、三レベル（キュートリットに類似）の量子状態を実現している。
• 二つの補助のエンタングルド光子を用いて、確率的測定方式に代わる決定的三次数元ベル状態測定を実装している。
• 事前共有のエンタングルド二光子三レベル状態が、トランスポートのための量子チャネルとして機能し、離れた両者間での状態転送を可能にしている。
• 古典的通信を用いて測定結果を伝達し、受信者が適切なユニタリ補正を施すことで、トランスポートされた状態を再構築できるようにしている。
• 六光子のセットを用いたプロトコル実装であり、線形光学素子と単一光子検出器を用いてベル状態を測定し、トランスポート保全度を検証している。
• 保全度は、量子状態トモグラフィーを用いて、トランスポートされた状態と理想のターゲット状態を比較することで評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 経路モード光子を用いた光子系で、決定的高次元量子トランスポートが実験的に実現可能か？
• RQ2 補助のエンタングルド光子を用いて、決定的三次数元ベル状態測定が可能か？
• RQ3 光子系における三レベル量子状態のトランスポートで達成可能な保全度は何か？
• RQ4 三次数元系において、保全度が古典的限界0.5を超えるか？
• RQ5 補助のエンタングルメントを用いることで、多次元量子トランスポートの信頼性とスケーラビリティはどのように向上するか？

主な発見

• 本実験では、経路モード符号化を用いた光子系で、三レベル量子状態の決定的トランスポートが成功裏に実証された。
• 二つの補助のエンタングルド光子を用いることで、決定的三次数元ベル状態測定が達成された。
• 測定されたすべてのトランスポート保全度が0.630を超えており、古典的限界の0.5を顕著に上回っている。
• 高い保全度は、事前共有のエンタングルメントと古典的通信を用いた複雑な量子状態の距離を越えた信頼性ある転送を確認している。
• 結果は、スケーラブルな量子ネットワークに不可欠な多次元量子系の遠隔再構築の実現可能性を裏付けている。
• 本プロトコルは、高次元量子情報処理および量子通信のためのスケーラブルなフレームワークを提供している。