[論文レビュー] Transmission of Photonic Polarization States through 55-meter Water: Towards Air-to-sea Quantum Communication

Cheng-Qiu Hu, Zeng‐Quan Yan+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、青緑光を用いて55メートルの水中チャネルを介して単一光子の偏光状態を忠実に伝送することに成功し、プロセスfidelityが0.96に達し、状態fidelityは95%以上を記録した。実験により、海水中における偏光ベースの量子通信の実現可能性が確認され、衛星や潜水機を用いた長距離の空対海量子通信への重要な一歩が得られた。

ABSTRACT

Quantum communication has been rapidly developed due to its unconditional security and successfully implemented through optical fibers and free-space air in experiment. To build a complete quantum communication network involving satellites in space and submersibles in ocean, underwater quantum channel has been investigated in both theory and experiment. However, the question of whether the polarization encoded qubit can survive through a long-distance and high-loss underwater channel, which is considered as the restricted area for satellite-borne radio waves, still remains. Here, we experimentally demonstrate the transmission of blue-green photonic polarization states through 55-meter-long water. We prepare six universal quantum states at single photon level and observe their faithful transmission in a large marine test platform. We obtain the complete information of the channel by quantum process tomography. The distance demonstrated in this work reaches a region allowing potential real applications, representing a step further towards air-to-sea quantum communication.

研究の動機と目的

• 長距離水中量子チャネルにおける光子の偏光状態を量子ビット（qubit）として用いる可能性を調査すること。
• 海水中における高い損失と強い散乱が量子状態の整合性を損なうという課題に取り組むこと。
• 状態およびプロセスfidelityの測定を通じて、水中チャネルが量子鍵配送に信頼できるかを検証すること。
• 海水中の青緑光窓を活用した将来的な空対海量子通信の基盤を構築すること。
• 現実的な環境条件下で大規模な海洋実験プラットフォームにおいて、実験的実現可能性を示すこと。

提案手法

• 波長板と偏光ビームスプリッターを用いて、送信元で6つのユニバーサルな単一光子偏光状態を準備した。
• 深さと寸法を制御した半開放型の海洋実験タンク内に、55メートルの水路を設け、それらの状態を伝送した。
• 背景ノイズの変動を低減するために、透過光子と反射光子の同時検出を用いて量子状態トモグラフィーを実施した。
• プロセス行列χを用いて、入力状態に対するチャネルの影響を特徴付ける量子プロセストモグラフィーを実施した。
• 状態fidelityは式 $ F_s = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\rho_{\text{received}}}\rho_{\text{sent}}\sqrt{\rho_{\text{received}}}} $ を、プロセスfidelityは $ F_P = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\chi_{\text{water}}}\chi_{\text{ideal}}\sqrt{\chi_{\text{water}}}} $ を用いて計算した。
• プロセストモグラフィーのための基底として、$ \widetilde{E}_0 = I, \widetilde{E}_1 = X, \widetilde{E}_2 = Y, \widetilde{E}_3 = Z $ を使用し、チャネルの動作を再構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子の偏光量子ビットは、55メートルの水中チャネルを通過する際にも高いfidelityを維持できるか？
• RQ2 海水中での散乱と損失が、伝送中の量子状態にどの程度の劣化をもたらすか？
• RQ3 量子プロセストモグラフィーを用いることで、水中チャネルはどの程度正確に特徴付けられるか？
• RQ4 海水中における量子プロセスのfidelityは、実用的な量子通信に十分高い水準にあるか？
• RQ5 海水中の青緑窓は、宇宙ベースのシステムと連携した長距離空対海量子通信を可能にするか？

主な発見

• 6つのユニバーサルな偏光状態の平均状態fidelityは0.976に達し、個々のfidelityは全てもつ95%以上であった。
• 測定された水中チャネルと理想のチャネル間のプロセスfidelityは0.96であった。これは高いチャネル信頼性を示している。
• 背景差し引きなしの平均偏光相関の可視度は90.7%であり、個々の可視度は85.5%から95.2%の範囲にあった。
• 受信状態の平均純度は0.942であった。これは伝送中のデコherenceが最小限に抑えられていることを示している。
• 測定されたプロセスマトリクスは、理想の恒等操作と強く類似しており、チャネルが量子情報を保持できることを確認した。
• 結果から、減衰が低い（例：0.018 m⁻¹）開放海環境では、55メートルよりもさらに長い伝送距離が可能になる可能性があると示唆された。