[論文レビュー] The Ultimate Rate of Quantum Communications

Stefano Pirandola, Riccardo Laurenza+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、量子通信の最終的な点対点レート——もつれ分配、量子鍵共有、量子状態伝送——を、次元に依存しない手法であるテレポートーションストレッチングと、もつれの相対エントロピーに基づく上限に基づいて確立している。ボソン的減衰、増幅、位相ずれ、消失チャネルを含む基本的な量子チャネルについてこれらの容量を導出し、量子リピーターなしでの根本的なレート-損失トレードオフの限界を設定している。

ABSTRACT

Quantum communications promises reliable transmission of quantum information, efficient distribution of entanglement and generation of completely secure keys. For all these tasks, we need to determine the optimal point-to-point rates that are achievable by two remote parties at the ends of a quantum channel, without restrictions on their local operations and classical communication, which can be unlimited and two-way. These two-way assisted capacities represent the ultimate rates that are reachable without quantum repeaters. By constructing an upperbound based on the relative entropy of entanglement and devising a dimension-independent technique dubbed teleportation stretching, we establish these capacities for many fundamental channels, namely bosonic lossy channels, quantum-limited amplifiers, dephasing and erasure channels in arbitrary dimension. In particular, we determine the fundamental rate-loss trade-off affecting any protocol of quantum key distribution. Our findings set the ultimate limits of point-to-point quantum communications and provide the most precise and general benchmarks for quantum repeaters.

研究の動機と目的

• もつれ分配、量子鍵共有、量子状態伝送といった量子通信タスクの最終的な点対点レートを特定すること。
• 局所操作および古典的通信に制限を設けず、無制限の双方向古典的通信を許容すること。
• すべての量子鍵共有プロトコルを制限する根本的なレート-損失トレードオフを特定すること。
• 量子リピーターの将来の性能を一般かつ正確にベンチマーク化するため、点対点通信の理論的限界を確立すること。

提案手法

• 著者らは、量子チャネルの容量を分析・上限付けるために、次元に依存しない手法であるテレポートーションストレッチングを導入した。
• もつれの相対エントロピーを資源指標として用いて、達成可能なレートの上限を導出した。
• この手法は、ボソン的減衰、量子限界増幅、位相ずれ、消失チャネルを含む広範なクラスの量子チャネルに適用可能であり、任意の次元で有効である。
• テレポートーションストレッチングともつれに基づく上限を組み合わせることで、双方向支援容量のタイトな特徴付けを達成した。
• 局所操作の構造に関する仮定を避け、任意の局所処理および無制限の双方向古典的通信下での一般分析を可能にした。
• フレームワークにより、複数の基本的チャネルについて正確な容量が導出され、量子リピーターなしでの理論的限界が確立された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 双方向古典的通信が許可された場合、ボソン的減衰チャネルを介した量子通信の最終的レートは何か？
• RQ2 任意次元の位相ずれおよび消失チャネルにおいて、もつれ分配および量子鍵共有の容量は、チャネル損失にどのように依存するか？
• RQ3 すべての量子鍵共有プロトコルを制限する根本的なレート-損失トレードオフは何か？
• RQ4 有限次元構造を仮定しないで、多様な量子チャネルの双方向支援容量を一元的かつ包括的に特徴付けられるフレームワークは存在するか？
• RQ5 点対点量子通信の正確な理論的限界は何か？量子リピーターはこれをどのように超える必要があるか？

主な発見

• この論文は、ボソン的減衰チャネル、量子限界増幅、位相ずれ、消失チャネルについて、任意次元における正確な双方向支援容量を確立した。
• すべての量子鍵共有プロトコルを制限する根本的なレート-損失トレードオフを特定し、このようなシステムに対する最もタイトな既知のベンチマークを提供した。
• テレポートーションストレッチング手法により、次元に依存しない分析が可能となり、広範な物理的実装に応用可能である。
• もつれの相対エントロピーを上限として用いることで、タイトで一般化可能な容量限界が得られた。
• 結果として、点対点量子通信の最終的理論的限界が設定され、量子リピーターの評価基準としての基準が提示された。
• フレームワークにより、量子リピーターなしでの達成可能なレートの完全な特徴付けが可能となり、将来の量子ネットワークの性能評価が正確に行えるようになった。