[論文レビュー] Quantum repeaters based on trapped ions with decoherence free subspace encoding

Michael Zwerger, B. P. Lanyon+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、集団デ coherent 位相ずれに対する保護を提供するためのデコherenceフリー部分空間（DFS）符号化を用いた、捕獲イオンを用いた近接量子中継器プロトコルを提案する。DFSに量子ビットを符号化し、線形光学を用いた決定的イオン-イオンゲートを適用することで、現在の実験的パラメータを用いて約800 kmの距離でベル状態の保証精度を達成し、ベル不等式を破ることができる。将来的なパラメータ改善により、数千里kmに及ぶ距離まで延伸可能である。

ABSTRACT

Quantum repeaters provide an efficient solution to distribute Bell pairs over arbitrarily long distances. While scalable architectures are demanding regarding the number of qubits that need to be controlled, here we present a quantum repeater scheme aiming to extend the range of present day quantum communications that could be implemented in the near future with trapped ions in cavities. We focus on an architecture where ion-photon entangled states are created locally and subsequently processed with linear optics to create elementary links of ion-ion entangled states. These links are then used to distribute entangled pairs over long distances using successive entanglement swapping operations performed deterministically using ion-ion gates. We show how this architecture can be implemented while encoding the qubits in a decoherence free subspace to protect them against collective dephasing. This results in a protocol that can be used to violate a Bell inequality over distances of about 800 km assuming state of the art parameters. We discuss how this could be improved to several thousand kilometers in future setups.

研究の動機と目的

• 捕獲イオン系における集団デコherence 位相ずれの主なノイズ源であるため、現在の捕獲イオン量子中継器の限界を克服する。
• デコherenceフリー部分空間（DFS）符号化を用いて、既存プロトコルにおけるデコherence による性能劣化を是正する。
• 完全なエンタングルメント純化を必要とせず、長距離エンタングルメント配布を可能にする、スケーラブルで近接実装に適した量子中継器アーキテクチャを設計する。
• DFS符号化が現実的な実験的パラメータを用いて、大陸間距離での高精度ベルペア配布を可能にすることを実証する。
• 捕獲イオンを用いたDFS符号化システムにおける論理的演算およびエンタングルメントスワッピングの実装プロトコルを提供する。

提案手法

• 捕獲イオン系における主要なノイズ源である集団デコherence 位相ずれに対して耐性を持つように、論理的量子ビットをデコherenceフリー部分空間（DFS）に符号化する。
• 隣接ノード間でのエンタングルメントスワッピングを実行するために、決定的イオン-イオンエンタングリングゲート（例：制御位相ゲート）を用いる。
• イオン-光子エンタングルド状態の処理を線形光学を用いて実装し、イオン対間の基本リンクの生成および検証を行う。
• 物理的ゲートと単一量子ビット測定による論理状態準備を用いて、論理的クリフォード演算（ハダマード、CNOT、CZ）を構築する。
• 解析的およびマルコフ連鎖モデルを用いて、複数のリンクに跨るエンタングルドペアの分布時間を計算する。
• DFSレベルでの論理的エンタングルメント純化プロトコルを適用し、さらに精度を向上させ、800 kmを超える距離まで到達可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的セットアップにおける捕獲イオンベースの量子中継器は、集団デコherence 位相ずれの影響を受けても長距離エンタングルメント配布を達成できるか？
• RQ2 デコherenceフリー部分空間に量子ビットを符号化することで、符号化なしプロトコルと比較して、量子中継器の精度と到達距離がどのように向上するか？
• RQ3 DFS符号化と決定的ゲートを用いた場合、現在の捕獲イオンパラメータで達成可能な最大距離は何か？
• RQ4 プロトコルは長距離でベル不等式を破ることができるか？これにより、デバイスに依存しない量子鍵配送が可能になるか？
• RQ5 分布時間はリンク数に伴いどのようにスケーリングされるか？また、解析的モデルと確率的モデルの使用に差は何か？

主な発見

• DFS符号化なしでは、元の捕獲イオン中継器プロトコルは集団デコherence 位相ずれの影響により、直接光子伝送を上回らない。
• DFS符号化を施した場合、最先端の実験的パラメータを用いて、約800 kmの距離でベル不等式を破るのに十分な高いベル状態の保証精度が達成される。
• 7リンクの中継器チェーン（400 km）における分布時間は、解析的近似で約0.2秒であり、マルコフ連鎖モデルの結果（0.2003秒）と非常に近い。
• 将来的なパラメータ改善（例：より高いゲート精度、より良い光子収率）により、到達距離は数千里kmまで拡張可能である。
• CNOTおよびCZゲートを含む論理的演算は、物理的ゲートと測定に基づく準備を用いて実装可能であり、スケーラブルな論理的エンタングルメント純化を可能にする。
• DFSベースのプロトコルは、完全なエンタングルメント純化を必要とせず、大陸間スケールの量子通信を実現可能にするため、近接実装に適したアーキテクチャである。