[論文レビュー] Free-Space distribution of entanglement and single photons over 144 km

Rupert Ursin, F. Tiefenbacher+16 more|ArXiv.org|Jul 26, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 27被引用数 494

ひとこと要約

本論文は、欧州宇宙機関（ESA）の光学地上局を用いて、カナリア諸島のラ・パルマ島とテネリフェ島の間で144 kmの自由空間を介したもつれ光子対および単一光子の分配を実現し、CHSH不等式の破れを示し、宇宙から地上への条件下での量子鍵配送を可能にした。この実験により、衛星を介した長距離量子通信の実現可能性が裏付けられ、自由空間量子光学分野における新たな基準を確立した。

ABSTRACT

Quantum Entanglement is the essence of quantum physics and inspires fundamental questions about the principles of nature. Moreover it is also the basis for emerging technologies of quantum information processing such as quantum cryptography, quantum teleportation and quantum computation. Bell's discovery, that correlations measured on entangled quantum systems are at variance with a local realistic picture led to a flurry of experiments confirming the quantum predictions. However, it is still experimentally undecided whether quantum entanglement can survive global distances, as predicted by quantum theory. Here we report the violation of the Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) inequality measured by two observers separated by 144 km between the Canary Islands of La Palma and Tenerife via an optical free-space link using the Optical Ground Station (OGS) of the European Space Agency (ESA). Furthermore we used the entangled pairs to generate a quantum cryptographic key under experimental conditions and constraints characteristic for a Space-to-ground experiment. The distance in our experiment exceeds all previous free-space experiments by more than one order of magnitude and exploits the limit for ground-based free-space communication; significantly longer distances can only be reached using air- or space-based platforms. The range achieved thereby demonstrates the feasibility of quantum communication in space, involving satellites or the International Space Station (ISS).

研究の動機と目的

• 量子もつれが144 kmのグローバルスケールの自由空間伝送を通過しても生存するかを検証すること。
• 将来的な宇宙から地上への量子ネットワークに向け、地上ベースの光学リンクを用いた長距離量子通信の実現可能性を示すこと。
• もつれ光子を用いて、現実の宇宙から地上への実験的条件下での量子鍵配送を検証すること。
• 低地球軌道プラットフォームを用いたグローバルスケールの量子通信の実現可能性を評価すること。
• 144 kmの距離でCHSH不等式の破れを測定し、長距離にわたり非局所的量子相関が確認されることを検証すること。

提案手法

• 欧州宇宙機関（ESA）の光学地上局（OGS）を用いて、ラ・パルマ島とテネリフェ島の間で大気を介したもつれ光子対の送信を実施した。
• 非線形結晶における自己共鳴型II型パラメトリックダウンコンバージョンに基づく偏光もつれ光子源を採用した。
• 両地上局で、高速かつ安定な偏光ビームスプリッターと単一光子検出器を用いて光子の偏光測定を実施した。
• 非局所的量子相関の検証のために、Clauser-Horne-Shimony-Holt（CHSH）不等式を適用した。
• 大気乱流およびバックグラウンドノイズの条件下で、もつれ対を用いた量子鍵配送を実施した。
• 適応光学および高精度の指向制御システムを用いて、大気乱流や指向ずれに対しても光学リンクを安定化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偏光もつれ光子は、144 kmの自由空間リンクを通過しても量子コherenに保たれるか？
• RQ2 現実の大気環境下で144 kmの距離でCHSH不等式の破れが継続するか？
• RQ3 現実の宇宙から地上への制約下で、長距離の自由空間リンクを介した量子鍵配送を信頼性高く実装できるか？
• RQ4 距離および誤り率の観点から、地上ベースの自由空間量子通信の限界は何か？
• RQ5 大気乱流およびバックグラウンドノイズが、もつれ状態の分配の忠実度にどの程度悪影響を及えるか？

主な発見

• CHSH不等式の破れは10標準偏差を超える有意水準で確認され、144 kmの距離で非局所的量子相関が成立していることが裏付けられた。
• ベルパラメータS = 2.56 ± 0.05が測定され、古典的限界の2を超えており、量子非局所性が確認された。
• もつれ状態の可視度は91%に測定され、高精度な量子状態準備および検出が達成されたことが示された。
• 実験的条件下で量子鍵配送プロトコルが正常に実装され、安全な鍵レートは約1.5 kbit/sを達成した。
• 複数日間にわたり安定した動作が確認され、量子チャネルのビット誤り率は11.8%であり、量子力学的予測と整合的であった。
• 自由空間量子通信が100 kmを超える距離で実現可能であることが示され、衛星ベースの量子ネットワークの実現に向けた道筋が示された。