[論文レビュー] Qubit teleportation between non-neighboring nodes in a quantum network

Sophie Hermans, Matteo Pompili+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド内の3つの窒素空孔（NV）中心を用いて、固体状態量子ネットワークにおける非隣接ノード間で決定的量子トランスポートを実証した。中間ノードを介したもつれスワッピングと、特許されたハーディング、基底を交互に変える繰り返し読み出し、および能動的メモリ保護を用いることで、著者たちは古典的限界（0.702 ± 0.011）を超えるトランスポート精度を達成し、ユニット効率を実現した。これはスケーラブルな量子ネットワークへの重要な一歩である。

ABSTRACT

Future quantum internet applications will derive their power from the ability to share quantum information across the network. Quantum teleportation allows for the reliable transfer of quantum information between distant nodes, even in the presence of highly lossy network connections. While many experimental demonstrations have been performed on different quantum network platforms, moving beyond directly connected nodes has so far been hindered by the demanding requirements on the pre-shared remote entanglement, joint qubit readout and coherence times. Here we realize quantum teleportation between remote, non-neighboring nodes in a quantum network. The network employs three optically connected nodes based on solid-state spin qubits. The teleporter is prepared by establishing remote entanglement on the two links, followed by entanglement swapping on the middle node and storage in a memory qubit. We demonstrate that once successful preparation of the teleporter is heralded, arbitrary qubit states can be teleported with fidelity above the classical bound, even with unit efficiency. These results are enabled by key innovations in the qubit readout procedure, active memory qubit protection during entanglement generation and tailored heralding that reduces remote entanglement infidelities. Our work demonstrates a prime building block for future quantum networks and opens the door to exploring teleportation-based multi-node protocols and applications.

研究の動機と目的

• 損失を伴う量子ネットワークにおいて、直接接続されていないノードを越えて信頼性の高い長距離量子情報伝送を可能にする。
• マルチノード量子ネットワークにおける事前共有もつれの精度、共同量子ビット測定、コherences時間の制限といった課題を克服する。
• 統合メモリと光リンクを備えた固体状態スピン量子ビットを用いて、スケーラブルでハーディング付きのトランスポートプロトコルを実装する。

提案手法

• 位相安定化された光リンクを用いた1光子プロトコルにより、隣接ノード（アリス・ボブおよびボブ・チャーリー）間のもつれを生成する。
• ボブのノードでもつれスワッピングを実行し、アリスとチャーリーの間で遠隔もつれを形成することで、トランスポート装置を構築する。
• メモリ量子ビットの精度を向上させ、読み出し誤差を低減するために、基底を交互に変える繰り返し読み出し（BAR）を用いる。
• 二重励起と$\\\ket{0}$状態の占有による誤検出を最小限に抑えるために、特許されたハーディングプロトコルを実装する。
• もつれ生成中に能動的メモリ保護を適用することで、デコherenceを抑制し、精度を向上させる。
• チャーリーの通信量子ビットとメモリ量子ビットに対して条件付きベル状態測定を実行し、その後、アリスに対してフィードフォワード操作を実施してトランスポートを完了する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態量子ネットワークにおいて、高い精度とユニット効率で非隣接ノード間の量子トランスポートを達成できるか？
• RQ2 二重励起と$\\\ket{0}$状態占有誤差が存在する中で、遠隔もつれの精度をどのように維持・向上できるか？
• RQ3 特許されたハーディングとBAR読み出しは、マルチノードネットワークにおけるトランスポート精度と実験レートにどの程度寄与するか？
• RQ4 メモリ量子ビットのコherences時間と共同量子ビット測定は、トランスポート性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 損失を伴う光子チャネルを持つネットワークにおいて、リアルタイムのフィードフォワードを用いて決定的トランスポートを達成できるか？

主な発見

• 任意の入力状態における平均トランスポート精度は0.702 ± 0.011に達し、古典的限界（2/3）を超えた。
• 特定のパウリ固有状態のトランスポート精度は、−Y状態で0.651 ± 0.027からX状態で0.760 ± 0.024の範囲にあり、重ね合わせ状態では0.4936 ± 0.0019の精度を達成した。
• 基底を交互に変える繰り返し読み出し（BAR）を用いることで、メモリ量子ビットの読み出し精度が向上し、10回の繰り返しで一貫性のないパターンが1%未満にまで低下した。
• 特許されたハーディングにより、遠隔もつれの不正確さが低減され、2ノードリンクの合成不正確さは0.808 ± 0.017にまで向上した。
• すべての革新を組み合わせた実験レートは、1回のトランスポートが74秒ごとまで向上した。これはベースラインの53秒に比べて改善された。
• シミュレーションでは、すべての誤差要因を組み合わせると総不正確さが0.305に達するが、誤差低減により実験的精度は依然として古典的限界を超えていた。