[論文レビュー] The Correlation Conversion Property of Quantum Channels

László Gyöngyösi|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Feb 13, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、量子チャネルの相関変換（CC）性質を導入し、もともとエンタングルメントを伝送できないノイジーな量子チャネルが、古典的相関を持つ入力から蒸留可能なエンタングルメントを生成できることを示している。非局所的操作や測定を用いずに、チャネル固有のノイズをリソースとして活用することで、標準的な量子チャネルを用いてエンタングルメントを生成可能であり、長距離量子通信ネットワークにおける新規でリソース効率の良い手法を提供する。

ABSTRACT

Transmission of quantum entanglement will play a crucial role in future networks and long-distance quantum communications. Quantum Key Distribution, the working mechanism of quantum repeaters and the various quantum communication protocols are all based on quantum entanglement. On the other hand, quantum entanglement is extremely fragile and sensitive to the noise of the communication channel over which it has been transmitted. To share entanglement between distant points, high fidelity quantum channels are needed. In practice, these communication links are noisy, which makes it impossible or extremely difficult and expensive to distribute entanglement. In this work we first show that quantum entanglement can be generated by a new idea, exploiting the most natural effect of the communication channels: the noise itself of the link. We prove that the noise transformation of quantum channels that are not able to transmit quantum entanglement can be used to generate distillable (useable) entanglement from classically correlated input. We call this new phenomenon the Correlation Conversion property (CC-property) of quantum channels. The proposed solution does not require any non-local operation or local measurement by the parties, only the use of standard quantum channels. Our results have implications and consequences for the future of quantum communications, and for global-scale quantum communication networks. The discovery also revealed that entanglement generation by local operations is possible.

研究の動機と目的

• 長距離量子通信におけるノイジーな量子チャネルを介したエンタングルメントの分配という課題に対処すること。
• 量子チャネルのノイズ—通常は悪影響を及ぼすと見なされる—が、エンタングルメント生成のリソースとして再利用可能かどうかを検討すること。
• 非局所的操作や局所的測定を必要としない、蒸留可能なエンタングルメントを生成する新たなメカニズムを確立すること。
• 特定のチャネルノイズ特性と組み合わせた局所的操作のみで、エンタングルメントを生成できることを示すこと。
• 既存のチャネルインfraを用いてスケーラブルでグローバルスケールの量子通信ネットワークを構築する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• ノイズのためエンタングルメントを伝送できない量子チャネルを分析し、そのノイズ変換特性に注目する。
• 古典的相関を持つ入力状態を想定し、チャネルのノイズ変換を適用することで、蒸留可能なエンタングルメントを持つ出力状態を生成する。
• 量子情報理論を用いて、チャネルのノイズが古典的相関を量子エンタングルメントに変換可能であることを証明する。
• 追加の非局所的操作や複雑な測定方式を必要とせず、標準的な量子チャネルに依存する。
• CC性質がチャネルレベルの現象として、ノイズ構造が古典的入力からのエンタングルメント生成を可能にすることを確立する。
• チャネルダイナミクスとエンタングルメント蒸留プロトコルの理論的分析を通じて、フレームワークの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタングルメントを伝送できない量子チャネルでも、蒸留可能なエンタングルメントを生成できるか？
• RQ2 非局所的操作を一切用いずに、量子チャネルの固有のノイズのみを用いてエンタングルメントを生成できるか？
• RQ3 ノイジーな量子チャネルの作用を通じて、古典的相関を量子エンタングルメントに変換できるか？
• RQ4 量子チャネルのノイズ変換が相関変換性（CC）を実現するための条件は何か？
• RQ5 CC性質は、高精度なチャネルを必要としない実用的でスケーラブルな量子通信をどのように可能にするか？

主な発見

• 相関変換性（CC）は、標準的な量子チャネルのみを用いても、古典的相関を持つ入力状態から蒸留可能なエンタングルメントを生成可能である。
• 量子チャネルのノイズ変換は、エンタングルメントを直接伝送できない場合でも、リソースとして活用可能であり、エンタングルメントを生成できる。
• 非局所的操作や複雑な測定手順を一切用いずに、局所的操作とチャネルのノイズのみに依存してエンタングルメントが生成可能である。
• CC性質は、特定のチャネルダイナミクスと組み合わせた局所的操作のみでエンタングルメントを生成可能であることを示している。
• 理論的フレームワークにより、かつては不適切と見なされていたノイジーなチャネルが、量子ネットワークにおけるエンタングルメント生成のツールとして再利用可能であることが示された。
• 結果から、量子通信のパラダイムシフトが示唆される：ノイズは常に障害物ではなく、CC性質の下では建設的リソースとなる可能性を有する。