[論文レビュー] Satellite-Based Entanglement Distribution Over 1200 kilometers

Juan Yin, Yuan Cao+32 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、低軌道衛星から2つのダウンリンクを介して地上1203 kmの距離でエンタングルド光子対を衛星ベースで分配することに成功し、厳密な局所性条件のもとでベルの不等式の破れを示した。この実験では、地上の光ファイバー伝送と比較して12桁以上も高い有効リンク効率を達成しており、長距離量子通信分野における飛躍的な前進を示している。

ABSTRACT

Long-distance entanglement distribution is essential both for foundational tests of quantum physics and scalable quantum networks. Owing to channel loss, however, the previously achieved distance was limited to ~100 km. Here, we demonstrate satellite-based distribution of entangled photon pairs to two locations separated by 1203 km on the Earth, through satellite-to-ground two-downlink with a sum of length varies from 1600 km to 2400 km. We observe a survival of two-photon entanglement and a violation of Bell inequality by 2.37+/-0.09 under strict Einstein locality conditions. The obtained effective link efficiency at 1200 km in this work is over 12 orders of magnitude higher than the direct bidirectional transmission of the two photons through the best commercial telecommunication fibers with a loss of 0.16 dB/km.

研究の動機と目的

• 長距離での光子損失による地上ファイバーを用いたもつれ分配の限界を克服すること。
• 衛星を量子リレーやして国境を越える距離でのもつれ光子の分配が可能かどうかを検証すること。
• 厳密なアインシュタインの局所性条件のもとで、1203 kmの距離を越えてももつれ状態と非局所性が保持されるかを検証すること。
• 既存のファイバー光回線インfraストラクチャと比較して、有効リンク効率に顕著な向上が見られるかを示すこと。
• 量子力学の基礎的検証とグローバルスケールの量子ネットワークの開発を可能にするものとする。

提案手法

• 低軌道衛星を用いて、1203 km離れた2つの地上局にエンタングルド光子対を送信した。
• 合計1600 kmから2400 kmのパス長を有する、衛星から地上への2つのダウンリンクを用いて、長距離伝送を実現した。
• 測定イベントが時空的に分離されていることを保証することで、アインシュタインの局所性条件を厳密に満たした。
• 衛星搭載の非線形結晶を用いた自己誘導的パラメトリック下変換により、偏光もつれ光子対を生成した。
• 各地上局で独立に選択されたランダムな測定設定を用いてベル不等式のテストを実施し、局所性の抜け目を閉じた。
• 高精度な時刻合わせと同期制御を実施し、測定イベントが時空的に分離していることを確認し、局所性条件を満たした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衛星を量子リレーとして用いることで、1200 kmを超える距離でのもつれ分配が可能か？
• RQ2 2つのダウンリンクを介して大気中を伝送されるもつれ状態が、このような長距離を越えても生存するか？
• RQ3 衛星ベースのシステムにおいて、厳密なアインシュタインの局所性条件のもとでベル不等式が破られるか？
• RQ4 衛星ベースシステムの有効リンク効率は、地上のファイバー網と比較してどの程度高いか？
• RQ5 宇宙ベースのプラットフォームを用いて、光子損失を最小限に抑えた長距離量子通信が実現可能か？

主な発見

• 本実験では、1203 kmの地上距離をカバーする衛星ベースのもつれ光子対分配に成功し、記録を更新した。
• ベル不等式の破れが観測され、その値は2.37 ± 0.09であった。これは、厳密な局所性条件のもとで非局所的量子相関が確認されたことを示している。
• 1203 kmでの有効リンク効率は、0.16 dB/kmの損失を示す最高性能の商業用通信ファイバーと比較して12桁以上も高い。
• 長大な大気中パスと高いバックグラウンドノイズにもかかわらず、2光子もつれの生存が確認された。
• 測定イベント間に時空的分離が達成され、ベルテストにおける局所性の抜け目が閉じられた。
• 結果として、LEO衛星を用いたグローバルスケールの量子通信および基礎的量子実験の実現可能性が裏付けられた。