[論文レビュー] Quantum Teleportation with an Accelerated Observer and Black Hole Information

K. Shiokawa|ArXiv.org|Oct 9, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、スカラー量子場真空に結合する振動子変数を用いて、相対論的設定下での静止観測者と加速観測者の間の量子もつれを研究する。加速は、アンル効果と環境デコherenceによってもつれの忠実度を低下させることを示しており、情報の損失は内在的な測定プロセスと場の相互作用の両方に起因する。これは、ブラックホール情報パラドックスの理解に重要な知見を提供する。

ABSTRACT

Nonperturbative analysis of quantum entanglement and quantum teleportation protocol using oscillator variables carried by observers in relativistic motion under the continuous influence of the environment is given. The full time evolution of quantum entanglement among static and accelerated observers is studied. The environment plays a dual role. While it creates bipartite and tripartite entanglement among observers even when the initial state is separable, it suppresses the entanglement via decoherence. Motivated by the black hole information problem, we consider quantum teleportation between static and accelerated observers. Acceleration of the observer suppresses fidelity of teleportation. Some of the quantum information escapes outside of the horizon in the form of bipartite and tripartite entanglement during the teleportation process. Explicit calculation of information loss is provided. In addition to the loss due to the interaction with the environment, there is an intrinsic loss originated in a measurement process. We discuss the implications of our results on the black hole case.

研究の動機と目的

• 静止観測者と加速観測者の間での量子もつれのダイナミクス的進化と、もつれの忠実度の相対論的運動における研究。
• 環境（スカラー真空場）が加速系においてもつれとデコherenceを引き起こす役割の分析。
• 加速と真空場との相互作用が、量子もつれの過程における情報損失に与える影響を調査し、ブラックホールの事象の地平線の物理をモデル化する。
• 密度行列の正定値性を損なう近似を避ける非摂動的解析により、もつれと忠実度の非摂動的分析を提供する。
• ブラックホール情報パラドックスへの含意を検討し、内在的損失と環境由来損失を区別する。

提案手法

• 調和振動子変数を用いて、スカラー量子場に結合する複数の観測者間のもつれを記述する形式的枠組みを一般化する。
• ミンコフスキー真空を背景環境として扱い、場モードをトレースすることで観測者の縮約密度行列を導出する。
• Born近似やBorn-Markov近似を回避する非摂動的厳密解を、もつれと忠実度の時間発展について導出する。
• 初期状態および最終状態が最大もつれ状態であるもつれプロトコルの忠実度を計算し、有限および無限のスクリーチングパラメータのケースを含む。
• 長時間極限における漸近的忠実度を評価し、真空相互作用と後選択の両方を考慮して情報回復の可能性を検討する。
• 非ユニタリティの2つの要因を区別する：測定境界条件に起因する内在的損失と、場の相互作用に起因する誘導損失。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一定加速度が、静止観測者と加速観測者の間の量子もつれの忠実度にどのように影響するか？
• RQ2 真空場との相互作用が、もつれプロセスにおいて三重もつれとデコherenceをどれほど誘導するか？
• RQ3 Unruh効果がもつれの忠実度を低下させ、情報損失を引き起こす役割は何か？
• RQ4 測定に起因する内在的損失と環境由来のデコherenceの両者が、情報損失に与える寄与度はどのように比較できるか？
• RQ5 ブラックホール蒸発に類似した状況において、量子エラー訂正や後選択によって情報が回復可能か？

主な発見

• 量子もつれの忠実度は加速により低下し、最大忠実度は初期時でのみ達成され、無限のスクリーチングパラメータの極限でのみ1に近づく。
• 環境との相互作用がない場合、最大もつれ状態で無限のスクリーチングを用いれば忠実度は1に達するが、現実的な状況では低下する。
• 真空相互作用がある場合、ボブの状態にのみ影響があると漸近的忠実度は約0.7に低下し、3者全員が真空と相互作用する場合は0.3にまで低下する。これはもつれの失敗を示している。
• デコherenceのため、忠実度は減衰する振動を示し、もつれダイナミクスともつれの忠実度の間に強い相関があることが明らかになった。
• 情報損失は2つの要因に起因する：測定境界条件に起因する内在的損失と、量子真空場との相互作用に起因する誘導損失。
• 結果から、真空に起因するデコherenceが無視できる場合に限り、ブラックホールからの情報回復が可能であり、適切な後選択またはエラー訂正が適用される必要があると考えられる。