[論文レビュー] High-fidelity entanglement swapping with fully independent sources

Rainer Kaltenbaek, Robert Prevedel+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2008

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、完全に時間同期化され、電子的に接続された独立した光源を用いて、2つの独立して生成された光子対間で高精度なもつれスワッピングを実証した。実験ではCHSH不等式の破れがS = 2.40 ± 0.09に達し、相互作用を一切行わなかった光子間の真正な高精度もつれが確認され、量子リピーターおよび基礎的量子テストへの適性が裏付けられた。

ABSTRACT

Entanglement swapping allows to establish entanglement between independent particles that never interacted nor share any common past. This feature makes it an integral constituent of quantum repeaters. Here, we demonstrate entanglement swapping with time-synchronized independent sources with a fidelity high enough to violate a Clauser-Horne-Shimony-Holt inequality by more than four standard deviations. The fact that both entangled pairs are created by fully independent, only electronically connected sources ensures that this technique is suitable for future long-distance quantum communication experiments as well as for novel tests on the foundations of quantum physics.

研究の動機と目的

• 量子リピーター研究における実験的ギャップを埋めるために、完全に独立し、時間同期化された光源を用いたもつれスワッピングの実証。
• 相互作用を一切行わなかった光子間で高精度もつれを達成することにより、長距離量子通信における主要な要件を満たす。
• スワップされたもつれが十分に強く、ベル不等式を破ることで、蒸留を経ずに非古典的性質が確認されることの妥当性を検証すること。
• 独立した光源を用いることで、検出器の非効率性の抜け道を回避し、局所的隠れ変数理論に対するより厳密なテストを可能にすること。
• 線形光学と電子的同期に基づく、スケーラブルで長距離に適した量子ネットワークのアーキテクチャを提供すること。

提案手法

• もつれスワッピングは、スピンパラメトリックダウンコンversion（SPDC）を用いた2つの独立した光源がスレーター状態 |ψ⁻⟩ における偏光もつれ光子対を生成することで実行される。
• 光源は光路ではなく電子的タイミング信号によって同期され、光源間の距離を大きくとることが可能になる。
• 1対の光子（光子2と3）に対してベル状態測定（BSM）が実施され、光子1と4がもつれた状態に投影される。
• CHSH不等式は、光子1に対して0°、45°、光子4に対して22.5°、67.5°の4つの測定設定を用い、結果に±1を割り当てる。
• 4時間の統合時間にわたるアライメントのずれを補正するため、二重 coincidence 計数を用いて一致率を正規化する。
• 狭帯域フィルタと安定した光路長を用いて、高視認性のホン・オウ・マンデル干渉を達成し、高精度なBSMを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に独立し、光学的に接続されていない光源を用いても、もつれスワッピングを実現できるか。これにより、長距離量子ネットワークが可能になるか。
• RQ2 相互作用を一切行わなかった光子1と4間のもつれが、十分な統計的有意性でベル不等式を破るか。
• RQ3 スワップされたもつれの優位性が、蒸留を経ずに量子通信プロトコルに直接利用可能か。
• RQ4 独立した光源の使用により、検出器非効率性の抜け道を回避し、局所的隠れ変数理論に対するより厳密なテストが可能か。
• RQ5 光学的ポンプビームの分配に代えて、電子的同期を用いることで、スケーラブルで長基線の量子リピーター・アーキテクチャを実現できるか。

主な発見

• 実験では、|ψ⁻⟩ 状態に対してS = 2.40 ± 0.09、|ψ⁺⟩ 状態に対してS = 2.38 ± 0.09のCHSH不等式の破れが達成され、古典的限界の2を4標準偏差以上上回った。
• CHSH項の観測期待値は、E(0°,22.5°) = -0.53 ± 0.05、E(0°,67.5°) = 0.65 ± 0.04、E(45°,22.5°) = -0.68 ± 0.04、E(45°,67.5°) = -0.54 ± 0.05であり、強い非古典的相関が確認された。
• 四重一致率の正規化を行わなくても破れは維持され、|ψ⁻⟩ に対してS = 2.37 ± 0.09、|ψ⁺⟩ に対してS = 2.38 ± 0.09が得られた。
• スワップされたもつれの優位性は、蒸留を経ずに量子トランスポートや量子暗号に直接利用可能であるほど高く、ベル不等式の破れによって裏付けられた。
• 光学的ポンプビームの分配に代えて電子的同期を用いることで、スケーラブルで長基線の実装が可能となり、原子時計を用いることでピコ秒未満のタイミング安定性が達成可能である。
• SPDC帯域幅の狭小化とテレコミュニュケーション波長での動作は、光度と伝送距離を向上させるための今後の主な改善策として特定された。