[論文レビュー] Reconfigurable Optical Quantum Networks Using Multimode Quantum Frequency Combs and Pulse Shaping

Yin Cai, Jonathan Roslund+5 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マルチモード量子周波数コンブとパルス整形を用いた再構成可能光学量子ネットワークシミュレータを提案し、ハードウェアを変更せずに、多様なクラスター状態および秘密分散プロトコルのオンデマンド生成を可能にした。ホモダイン検出における適合された局所発진器を用いた測定プロセスでの再構成のみで、13種類の異なるクラスター状態を実現し、高い圧縮状態下でも量子秘密分散においてほぼ完璧な忠実度を達成した。これは、ネットワーク構造が光源や装置設定ではなく、測定によって動的に制御されることを示している。

ABSTRACT

Multimode entanglement is quintessential for the design and fabrication of quantum networks, which play a central role in quantum information processing and quantum metrology. However, an experimental setup is generally constructed with a specific network configuration in mind and therefore exhibits reduced versatility and scalability. The present work demonstrates an on-demand, reconfigurable quantum network simulator, using an intrinsically multimode quantum resource and a homodyne detection apparatus. Without altering either the initial squeezing source or experimen- tal architecture, we realize the construction of thirteen cluster states of various size and connectivity as well as the implementation of a secret sharing protocol. In particular, this simulator enables the interrogation of quantum correlations and fluctuations for a Gaussian quantum network. This initi- ates a new avenue for implementing on-demand quantum information processing by only adapting the measurement process and not the experimental layout.

研究の動機と目的

• 固定構成の量子ネットワークの柔軟性とスケーラビリティの限界を克服し、ネットワークトポロジを動的に再構成可能にする。
• クラスター状態や秘密分散プロトコルなどの量子ネットワーク構造が、ハードウェアの変更ではなく測定設定によってのみ制御可能であることを実証する。
• 測定基底と後処理が、ガウス量子ネットワークにおける多粒子もつれ状態の構造に果たす役割を調査する。
• 単一のイントリニックにマルチモードな量子リソースを用いたオンデマンド量子情報処理の実現可能性を検証する。

提案手法

• システムは、複数の光学モードにわたるもつれ状態を生成する、単一のマルチモード圧縮周波数コンブを普遍的な量子リソースとして用いる。
• パルス整形をホモダイン検出の局所発進器に適用することで、マルチモード状態を任意の測定基底に射影する。
• 測定基底によるユニタリ変換により、サイズや結合性が異なるクラスター状態を含む、有効なネットワークトポロジの再構成が可能である。
• ネットワークの構造は、初期のリソースや実験的レイアウトではなく、測定基底の選択に依存する。
• 秘密分散は、関係者間でもつれ状態の位相・振幅成分を分配することで実装され、入力状態と再構成状態の共分散行列を用いて忠実度が計算される。
• さまざまな圧縮レベルにおける忠実度を計算するために、数値シミュレーションと実験データを併用し、実際のノイズを再現するための測定圧縮のランダム変動を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアの再構成なしに、同一の量子リソースを用いて複数の異なる量子ネットワークトポロジを生成可能か？
• RQ2 ガウス量子ネットワークの構造が、測定基底のみによってどの程度制御可能か？
• RQ3 マルチモード周波数コンブと再構成可能ホモダイン検出を用いて実装された秘密分散プロトコルの忠実度性能はいかほどか？
• RQ4 リソースの圧縮レベルが、秘密分散プロトコルにおける再構成量子状態の忠実度にどのように影響するか？
• RQ5 マルチモードガウス量子ネットワークにおいて、秘密を正常に再構成するために必要な最小参加者数はいくつか？

主な発見

• 測定設定の再構成のみで、ハードウェアやソース、実験的レイアウトを変更せずに、13種類の異なるサイズと結合性を持つクラスター状態を正常に生成した。
• 3名/5名参加者の秘密分散プロトコルにおいて、圧縮レベルが上昇するにつれて、入力状態と再構成状態の間の最大忠実度は1に近づき、ほぼ完璧な状態再構成を示した。
• 圧縮が存在しない状態では、最大忠実度は2/3に制限され、これは古典的トランスポートレーションの限界と一致しており、圧縮下での量子的優位性を確認した。
• 圧縮なしの状態では、参加者全員の平均忠実度は3/5に近づき、秘密分散における古典的k/nしきい値方式の限界と一致した。
• 参加者間の最小忠実度も圧縮が増加するにつれて上昇し、1に収束する傾向を示し、すべての構成において高い耐障害性を示した。
• 実験的に測定された圧縮分散を用いた数値シミュレーションにより、現実的なノイズ条件下でも理論的予測と整合した忠実度性能が得られることを確認した。