[論文レビュー] Overcoming the repeaterless bound in continuous-variable quantum communication without quantum memories

Matthew S. Winnel, Joshua J. Guanzon+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、量子メモリを必要としないにもかかわらず、PLOB限界を打ち破る連続変数量子リピーター方式を提案している。この方式では、1つの量子スカイサ―装置を用いて同時にエンタングルメントの蒸留とスワップを実行することで実現される。線形光学と既存技術のみで、長距離QKDのための高いキーレートを達成可能であり、量子メモリを用いたスケーラビリティとノイズ・不完全性へのロバスト性を有する。

ABSTRACT

One of the main problems in quantum communications is how to achieve high rates at long distances. Quantum repeaters, i.e., untrusted, intermediate relay stations, are necessary to overcome the repeaterless bound which sets the fundamental rate-distance limit of repeaterless communications. In this work, we introduce a continuous-variable protocol which overcomes the repeaterless bound and scales like the single-repeater bound using just one linear-optical device called a "quantum scissor", combining the entanglement distillation and entanglement swapping elements of previous repeater proposals into a single step, thus, removing the need for quantum memories. Implementing a standard continuous-variable quantum key distribution protocol using our repeater we predict key rates which surpass the repeaterless bound. Our protocol works well for non-ideal single-photon sources and non-ideal single-photon detectors, and can tolerate some level of excess noise, making our protocol implementable with existing technology. We show that our scheme can be extended to longer repeater chains using quantum memories, using less physical resources than previous schemes. Furthermore, for applications beyond key distribution, our scheme generalises to higher order and distils more entanglement at the cost of a reduced probability of success.

研究の動機と目的

• 量子メモリを要しない連続変数量子通信における根本的なPLOB限界を克服すること。
• 連続変数系のためのスケーラブルでリソース効率の良い量子リピーター・アーキテクチャを開発すること。
• 量子スカイサ―が1ステップでエンタングルメント蒸留とスワップを統合することで、ロス耐性を持つリレーサービスとして機能できることを示すこと。
• 非理想的な部品と余分なノイズを伴う現実的な条件下でも、実用的で高レートの量子鍵配送を可能にすること。
• 量子メモリを用いてマルチリピーター鎖へとプロトコルを拡張し、物理的リソースの消費を低減すること。

提案手法

• プロトコルは、1つの量子スカイサ―装置を用いて、ノイズレス線形増幅とフォック状態の切り詰めを実行し、同時にエンタングルメント蒸留とスワップを実現する。
• エンタングルメントは2モードスリッピング状態を介して生成され、量子スカイサ―が隣接リンクからの入射モードを処理するリレーデバイスとして機能する。
• 状態の保存を必要としないため、蒸留とスワップを1つの操作に統合することで、量子メモリを不要にする。
• 集団的攻撃の下で、コherent状態とアンダーライド検出を用いて秘密鍵レートを計算し、Eveがすべての光源と検出器を制御していると仮定する。
• 長距離鎖のためには、量子メモリがハーディング状態を保存し、追加の量子スカイサ―を用いて階層的構造でエンタングルメントスワップを実行する。
• 成功確率は、確率的ステップにおける成功に必要な平均試行回数を考慮した関数 $ Z_n(P) $ を用いてモデル化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続変数量子通信におけるPLOB限界は、量子メモリを要さずに打ち破れるか？
• RQ2 1つの量子スカイサ―装置が、エンタングルメント蒸留とスワップを同時に実行でき、より単純なリピーター・アーキテクチャを可能にするか？
• RQ3 非理想的な光源・検出器および余分なノイズを伴う現実的条件下での、このプロトコルのキーレート性能はいかほどか？
• RQ4 従来の量子リピーター方式と比較して、距離およびリソース効率の面で、このプロトコルはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 量子メモリを用いてリソース消費を低減しつつ、マルチリピーター鎖へとプロトコルを拡張可能か？

主な発見

• プロトコルはPLOB限界を超える秘密鍵レートを達成し、リピーターなし通信に比べて根本的な改善を示した。
• 非理想的な単一光子光源および検出器でも正常に動作し、余分なノイズに対しても耐性を示すため、現在の技術で実装可能である。
• 1つの量子スカイサ―をリレーデバイスとして用いることで、ロス耐性を実現し、量子メモリの必要性を回避し、アーキテクチャを単純化した。
• 3リピーター鎖の場合、単一リピーターの限界と同等のスケーリングを達成し、従来の手法よりも少ない物理的リソースで234 kmでPLOB限界を下回った。
• 長距離にわたり、最終状態の純度が高く保たれる一方、リピーターの効果によりPLOB限界の指数関数的減衰が回避された。
• 高次スカイサ―への拡張により、より多くのエンタングルメントを蒸留可能であるが、成功確率は低下する。