[論文レビュー] Robust long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics

Bo Zhao, Zeng‐Bing Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、原子系アンサンブルと線形光学を用いたロバストな量子リピーター方式を提案し、単一光子干渉の代わりに二光子干渉を活用することで、実験的ノイズに対する感受性を低減し、長距離量子通信を強化する。この方式により、リソース要件および通信時間の多項式スケーリングを実現するスケーラブルで高精度の遠隔もつれ状態が得られ、局所もつれペアの必要性が排除され、メモリ量子ビットの長距離操作が可能になる。

ABSTRACT

Quantum communication deals with absolutely secure transfer of classical messages by means of quantum cryptography or faithful transfer of unknown quantum states by means of quantum teleportation between distant sites. The essential element for quantum communication is to create remote entangled pairs of high fidelity. The main difficulty to create such a distant entangled pair is that both photon loss and decoherence grow exponentially with distance. However, with the help of quantum repeater, it is demonstrated that both the entanglement sources and the time needed to create a single distant entangled pair of high fidelity could scale polynomially with the communication length. Here we propose a robust quantum repeater by extending the original Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) scheme based on atomic ensembles and linear optics. Our protocol entails the advantage of two photon interference, which is more robust than single photon interference used in the DLCZ scheme. In comparison with our previous proposal, the entangled memory qubits are manipulated across long distance, and local entanglement pairs are avoided. Our proposal provides an exciting possibility for realistic long distance quantum communication.

研究の動機と目的

• 量子通信における光子損失およびデcohエアレンスによるもつれ保全度の指数的低下を是正すること。
• 単一光子干渉の代わりに二光子干渉を用いることで、量子リピーター方式のロバスト性を向上させること。
• 局所もつれペアの必要性を排除することで、長距離量子ネットワークにおけるプロトコルの簡素化と誤差源の低減を図ること。
• 遠隔もつれペアを生成するために必要なリソースおよび通信時間の多項式スケーリングを達成し、実用的な長距離量子通信を可能にすること。

提案手法

• Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) 方式を拡張し、単一光子干渉の代わりに二光子干渉を導入することで、位相ノイズおよび検出器非効率に対する耐性を向上させること。
• 原子系アンサンブルを量子メモリとして用い、局所もつれ生成を必要とせずに長距離でのメモリ量子ビット操作を可能にすること。
• 線形光学素子を用いてベル状態測定および遠隔ノード間でのもつれスワッピングを実行し、既存の光技術と互換性を持つこと。
• もつれが逐次もつれスワッピングおよび純化ステップを通じて長距離にわたり生成・分配されるプロトコルを設計すること。
• 局所もつれペアの生成を回避することでリソースの過剰な負荷を低減し、必要な量子メモリおよび測定の数を削減すること。
• 線形光学における二光子干渉の本質的安定性を活用し、現実的な実験的条件下でも高精度を維持すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二光子干渉は、長距離量子通信における単一光子干渉と比較して、量子リピーター方式のロバスト性を向上させ得るか？
• RQ2 高精度な遠隔もつれ状態生成を維持しつつ、局所もつれペアの必要性をどのように排除できるか？
• RQ3 原子系アンサンブルを用いた量子リピーターにおいて二光子干渉を用いる場合、リソース要件および通信時間のスケーリング挙動はいかなるものか？
• RQ4 提案されたプロトコルは、もつれ源および遠隔もつれペアを1つ生成するために必要な時間の両方において多項式スケーリングを達成できるか？
• RQ5 原子系アンサンブルおよび線形光学の使用は、スケーラブルでフェイルセーフな長距離量子通信をどのように可能にするか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、二光子干渉を活用することで、位相揺らぎおよび検出器非効率に対してより耐性があるため、ロバストな長距離量子通信を実現する。
• もつれ源の数および通信時間の多項式スケーリングを達成し、実用的な長距離量子ネットワークを可能にする高精度な遠隔もつれペアが生成可能である。
• 局所もつれペアの必要性が排除され、システムの複雑さおよび誤差源が低減される。
• 原子系アンサンブルを量子メモリとして用いることで、長距離にわたりもつれが生成・操作可能であり、もつれのスケーラブルな分配が可能になる。
• 線形光路ネットワークにおける二光子干渉の安定性を活用することで、長距離にわたり高精度を維持する。
• 全体としてのプロトコルは、強化されたフェイルセーフ性および実験的実現可能性を備えた、現実的で長距離の量子通信への有望な道筋を提供する。