[論文レビュー] Quantum teleportation with independent sources over an optical fibre network

Qi-Chao Sun, Ya-Li Mao+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、独立に準備された光子源を用いて30 kmの光ファイバー網を介した量子トランスポートーションを実証し、アクティブフィードフォワードと遅延ベル状態測定を用いて、平均状態保真度85(3)%およびプロセス保真度77(3)%を達成した。結果は古典的限界を上回り、統計的信頼水準2.4×10⁻¹⁴未満でトランスポートーションの量子的性質を確認した。

ABSTRACT

Quantum teleportation faithfully transfers a quantum state between distant nodes in a network, enabling revolutionary information processing applications. Here we report teleporting quantum states over a 30 km optical fiber network with the input single photon state and the EPR state prepared independently. By buffering photons in 10 km coiled optical fiber, we perform Bell state measurement after entanglement distribution. With active feed-forward operation, the average quantum state fidelity and quantum process fidelity are measured to be 0.85 and 0.77, exceeding classical limits of 0.67 and 0.5, respectively. The statistical hypothesis test shows that the probability of a classical process to predict an average state fidelity no less than the one observed in our experiment is less than 2.4E-14, confirming the quantum nature of our quantum teleportation experiment. Our experiment marks a critical step towards the realization of quantum internet in the future.

研究の動機と目的

• 独立した光子源を用いてスケーラブルな量子ネットワークでの量子トランスポートーションを可能にすること。
• 長距離光ファイバーを介する独立して生成されたもつれ状態の間のタイミングおよび位相の不整合という課題を克服すること。
• 実用的で非同期な光源を用いた実世界のフィールドテストにおいて高保真度の量子トランスポートーションを実証すること。
• 厳密な統計的仮説検定を通じて、古典的代替手法が観測されたトランスポートーション保真度を再現できる確率を検証すること。
• 既存のファイバーインfraを用いた将来の量子インターネットの実現可能性を前進させること。

提案手法

• アリスとチャーリーに位置する独立した量子光源が、同期なしに個別に単一光子およびもつれ光子対（EPR状態）を生成する。
• 入力状態ともつれ状態の時間的整合を確保するため、光子を10 kmのコイル状の光ファイバーにバッファリングする。
• もつれ状態の分配後に遅延ベル状態測定を実施し、関連する光子の時間的重なりを保証する。
• アクティブフィードフォワード操作により、ベル状態測定の結果をリアルタイムで伝送し、ターゲットキュービットに正しいユニタリ補正を適用する。
• 時間-デジタルコンバータ（TDC）を用いた4重一致検出により、成功したトランスポートーションイベントを同定する。
• 量子状態トモグラフィーとプロセストモグラフィーを実施し、密度行列を再構築し、状態およびプロセス保真度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界の光ファイバー網において、独立して生成された量子状態を用いて高保真度の量子トランスポートーションを達成できるか？
• RQ2 光子バッファリングを用いた遅延ベル状態測定は、分散ネットワークにおけるトランスポートーション保真度をどの程度向上させるか？
• RQ3 古典的プロセスが観測された保真度を再現できる統計的確率はどの程度か？
• RQ4 多光子放出や非理想的なユニタリ操作による不完全性は、トランスポートーション性能にどのように影響するか？
• RQ5 フィールド展開環境において、統計的信頼水準を高く保ちながら、トランスポートーションの量子的性質を実験的に確認できるか？

主な発見

• アクティブフィードフォワードを用いた平均量子状態保真度は85(3)%に達し、古典的限界の2/3を著しく上回った。
• 量子プロセス保真度は77(3)%で測定され、トランスポートーションプロトコルの高保真度動作を確認した。
• 古典的プロセスが観測された保真度を達成する確率は2.4×10⁻¹⁴未満であり、実験の量子的性質を確認した。
• フィードフォワードなしでは平均状態保真度が91(3)%であったため、保真度がベル状態測定の結果の選択に依存することが示された。
• フィードフォワードなしではプロセス保真度が84(4)%、フィードフォワードありでは77(3)%であったため、ユニタリ補正と実験的不完全性の影響が顕在化した。
• 2光子干渉の可視度は、アリスの光源での平均光子数が1パルスあたり0.08、チャーリーの光源で0.03であったため、0.917に制限された。