[論文レビュー] Nonlocal memory assisted entanglement distribution in optical fibers

Guo‐Yong Xiang, Zhibo Hou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、偏光もつれ光子対における周波数相関が、偏光維持光ファイバー内でのもつれ分配を顕著に向上させる非局所的記憶効果を実験的に示している。ポンプレーザーのスペクトル幅を調整して周波数反相関を高めることで、追加のハードウェアを用いずにもつれを維持できるファイバー長が最大12倍に向上し、従来の局所的ノイズチャネルを上回る性能を達成した。

ABSTRACT

Successful implementation of several quantum information and communication protocols require distributing entangled pairs of quantum bits in reliable manner. While there exists a substantial amount of recent theoretical and experimental activities dealing with non-Markovian quantum dynamics, experimental application and verification of the usefulness of memory-effects for quantum information tasks is still missing. We combine these two aspects and show experimentally that a recently introduced concept of nonlocal memory effects allows to protect and distribute polarization entangled pairs of photons in efficient manner within polarization-maintaining (PM) optical fibers. The introduced scheme is based on correlating the environments, i.e. frequencies of the polarization entangled photons, before their physical distribution. When comparing to the case without nonlocal memory effects, we demonstrate at least 12-fold improvement in the channel, or fiber length, for preserving the highly-entangled initial polarization states of photons against dephasing.

研究の動機と目的

• 環境的位相ずれノイズの影響を受けても偏光もつれを維持する課題に対処すること。
• ファイバー伝送中にもつれを劣化させる局所的ノイズチャネルの制限を克服すること。
• 初期の光子周波数環境における相関が生じる非局所的記憶効果が、もつれを保護できることを実験的に示すこと。
• 出荷後補正や追加部品を一切用いずに、ポンプ源の事前制御のみでこの保護が達成可能であることを示すこと。
• 既存のファイバーインfraを用いた量子ネットワークにおける長距離もつれ分配の実用的でスケーラブルな手法を確立すること。

提案手法

• 可変帯域幅の狭帯域ポンプレーザーを用いて、自己誘導非線形効果による自発的パラメトリック下変換で偏光もつれ光子対を生成する。
• ポンプレーザーのスペクトル幅を制御して、もつれ光子間の初期周波数反相関を設計する。
• 各光子を別々の偏光維持（PM）光ファイバーに送信し、相関する環境的ノイズを持つ非局所的チャネルを模擬する。
• 相関環境の非マルコフ的性質を活用して位相ずれを抑制し、系が閉じた状態のように振る舞うようにする。
• さまざまなファイバー長での伝送後、出力状態の fidelity と concurrence を測定するために状態トモグラフィーを適用する。
• ポンプ幅と周波数相関強度に基づいて、局所的（LOC）、中程度非局所的（NL1）、高度非局所的（NL2）の3種類のチャネルを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期の光子周波数相関が生じるもつれ光子において、非局所的記憶効果が光ファイバー内での偏光もつれを伝送中に保護できるか？
• RQ2 もつれ光子間の周波数反相関の度合いを高めることで、もつれが保持される距離はどの程度向上するか？
• RQ3 非局所的チャネルと局所的チャネルの間で、fidelity ともつれ保持性能において、どのような差が生じるか？
• RQ4 追加のハードウェアや後処理を一切用いずに、ポンプ源の事前制御のみでこのもつれ保護が達成可能か？
• RQ5 非局所的記憶効果によって、もつれ分配のファイバー長に達成可能な最大強化係数 R は何か？

主な発見

• 周波数反相関が強い状態（NL2）では、100 m のファイバー伝送後も初期のもつれfidelityが 0.979 ± 0.003 を維持した。
• NL2チャネルにおけるもつれ保持の強化係数 R は 12 に達し、局所的チャネル（LOC）と比較して有効なファイバー長が12倍に向上した。
• NL2チャネルのCHSH値は 2.66 ± 0.04 であった。これは非古典的相関と伝送後の強固なもつれの存在を確認するものである。
• 中程度のポンプ幅（NL1）でも強化係数は 2 に達し、周波数相関が弱くても局所的チャネルに比べて顕著な改善が確認された。
• NL2ケースでは初期の偏光もつれの品質が高く保たれ、ベル状態とのfidelityは 0.990 ± 0.005 であった。これは、この方法が初期量子状態の品質を保持できることを示している。
• 状態準備後、追加の部品は一切不要で、ポンプレーザーのスペクトル形状制御のみに依存するため、既存の量子通信システムと完全に互換性がある。