[論文レビュー] Multi-system entanglement swapping for Bell states and Greenberger-Horne-Zeilinger states

Zhaoxu Ji, Peiru Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ベル状態および新しい種類の多粒子グリーンバーガー＝ホーン＝ツァイルェンベルク（GHZ）状態の一般化されたマルチシステムもつれスワッピングプロトコルを提案し、任意の数のキュービット系にわたるもつれスワッピングを可能にしている。主な貢献は、同一のGHZ状態を2つ生成するスキームであり、これは量子鍵配送、秘密分散、プライベート比較への応用を強化する。

ABSTRACT

We introduce a class of multi-particle Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states, and study entanglement swapping between two qubit systems for Bell states and for the class of GHZ states, respectively. We generalize the bi-system entanglement swapping of Bell states and multi-particle GHZ states to any number of qubit systems. We further study the entanglement swapping schemes between any number of Bell states and between any number of the introduced GHZ states in a detailed way, and propose the schemes that can generate two identical GHZ states. We illustrate the applications of such schemes in quantum information processing by proposing quantum protocols for quantum key distribution, quantum secret sharing and quantum private comparison.

研究の動機と目的

• ベル状態および新しい種類の多粒子GHZ状態に対して、二系もつれスワッピングを任意の数のキュービット系に拡張すること。
• 任意の数のベル状態間および導入されたGHZ状態の任意の数の間でのもつれスワッピングの一般化プロトコルを開発すること。
• 初期もつれペアからもつれスワッピングを用いて2つの同一のGHZ状態を生成するスキームを設計し、量子ネットワークにおけるリソース効率を向上させること。
• 提案されたスキームを、量子鍵配送、秘密分散、プライベート比較などの量子情報処理タスクに実用的に応用すること。

提案手法

• マルチシステムもつれスワッピングに適した新しい種類の多粒子GHZ状態を導入する。
• 量子測定とユニタリ操作を用いて、標準的な二粒子ベル状態スワッピングを任意の数のキュービット系に一般化する。
• 共同ベル状態測定と制御ユニタリ操作を用いて、複数の系にわたるもつれをスワップする。
• 成功した測定に伴い、初期もつれペアから2つの同一のGHZ状態を生成するプロトコルを設計する。
• もつれをネットワーク内の複数ノードに再配分するために、量子トランスポートに類似した手順を用いる。
• 一般化されたスワッピングフレームワークを応用し、量子鍵配送、秘密分散、プライベート比較のためのプロトコルを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベル状態について、もつれスワッピングを二系から任意の数のキュービット系に一般化する方法は何か？
• RQ2 新しい種類の多粒子GHZ状態の構造と、スケーラブルなもつれスワッピングを可能にする役割は何か？
• RQ3 初期もつれペアからもつれスワッピングを用いて、同時に2つの同一のGHZ状態を生成できるか？
• RQ4 提案されたスワッピングスキームを、実用的な量子情報プロトコルを実装するためにどのように応用できるか？
• RQ5 複数の系にわたる決定的もつれスワッピングを達成するための必要な測定および操作の順序は何か？

主な発見

• 本稿では、ベル状態のもつれスワッピングを任意の数のキュービット系に一般化することに成功し、スケーラブルなもつれ分配を可能にした。
• 本稿では、複数系にわたる一般化もつれスワッピングを可能にする新しい種類の多粒子GHZ状態を導入した。
• 提案されたスキームにより、1回のもつれスワッピング操作で2つの同一のGHZ状態を決定的に生成することができた。
• このフレームワークにより、生成されたもつれ状態を用いて量子鍵配送、秘密分散、プライベート比較のための量子プロトコルを構築できるようになった。
• ベル状態測定や制御ユニタリゲートを含む標準的な量子操作で、これらのスキームが実現可能であることが示された。
• 結果として、マルチシステムもつれスワッピングが体系的に実装可能であることが示され、将来的な大規模量子ネットワークを支援するものとなった。