[논문 리뷰] All Optical Quantum Teleportation

Timothy C. Ralph|arXiv (Cornell University)|1998. 12. 10.

Quantum Information and Cryptography인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 전기광학 구성 요소를 대체하기 위해 광학 파라메트릭 강화기와 아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) 얽힌 광선을 사용하여 완전히 일체형 광학적 연속 변수 양자 텔레포테이션 방식을 제안한다. 고이득 파라메트릭 강화와 분광망을 활용함으로써, 무한한 파라메트릭 이득의 극한에서 거의 완벽한 상태 재구성($a_{\text{out}} \to a_{\text{in}}$)을 달성하여 전자적 신호 처리 없이 고대역폭, 가역적인 양자 텔레포테이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We propose an all optical, continuous variable, quantum teleportation scheme based on optical parametric amplifiers.

연구 동기 및 목표

• 기존의 양자 텔레포테이션 기법에서 전기광학 신호 처리로 인한 대역폭 제한을 극복하기 위해.
• 전적으로 광학 구성 요소만을 사용하여 연속 변수 양자 텔레포테이션의 완전한 일체형 광학적 실현을 개발하기 위해.
• 양자 텔레포테이션을 비가역적인 전자적 검출 또는 변조 없이도 달성할 수 있음을 보여주기 위해.
• 광대역 파라메트릭 강화를 활용하여 다중시간 모드 광장의 텔레포테이션 가능성을 탐색하기 위해.
• 빔 스플리터와 파라메트릭 강화기를 사용하여 시간 대칭적이고 본질적으로 가역적인 양자 텔레포테이션 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 입력 양자 장을 고이득 선형 광학 강화기($G \gg 1$)로 변환하여 고전적 성질을 띠는 장 $a_c = \sqrt{G}a_{\text{in}} + \sqrt{G-1}v_1^\dagger$를 생성함으로써 공액 쌍의 측정이 가능하도록 한다.
• 50:50 빔 스플리터를 사용해 강화된 장과 EPR-얽힌 광선 $b_1$을 결합하고, $\pi$-위상 이동된 풍선을 사용한 비가역적 파라메트릭 강화를 통해 고전적 채널을 생성한다.
• 투과율 $\varepsilon = 1/G$인 빔 스플리터를 통해 출력을 재구성하여 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + \sqrt{(G-1)/G}(v_1^\dagger - v_2)$를 얻는다.
• 진공 입력을 비가역적 파라메트릭 강화를 통해 생성된 EPR-얽힌 광선 $b_1$과 $b_2$로 대체하여 $\Delta(X_{b1}^+ - X_{b2}^+)^2 < 1$ 및 $\Delta(X_{b1}^- + X_{b2}^-)^2 < 1$ 조건을 만족시킨다.
• 고전적 및 양자 텔레포테이션 기법 간의 형식적 동치성을 활용하여 전자 채널을 전적으로 광학 신호 처리로 대체함으로써 고대역폭 운영을 가능하게 한다.
• 출력 장 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$가 $H \to \infty$의 극한에서 $a_{\text{in}}$에 수렴함을 보여주어 완벽한 텔레포테이션을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기광학 변환 없이 고전적 신호의 전기광학 변환 없이도 양자 텔레포테이션을 완전히 광학 영역에서 실현할 수 있는가?
• RQ2 EPR 얽힘이 고성능의 일체형 광학 텔레포테이션을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 평탄한 이득 프로파일을 가진 파라메트릭 강화기를 사용할 경우, 텔레포테이션된 상태의 대역폭과 모드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시간 대칭적 광학 구성 요소를 사용함으로써 기존에 양자 측정과 관련된 비가역성을 텔레포테이션에서 피할 수 있는가?
• RQ5 EPR 상관 강도를 증가시켰을 때, 일체형 광학 기법에서 상태 재구성의 품질은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 출력 장 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$가 무한한 파라메트릭 이득($H \to \infty$)의 극한에서 입력 상태 $a_{\text{in}}$에 수렴하여 완벽한 텔레포테이션을 달성한다.
• 전자적 신호 처리 없이도 전적으로 광학 구성 요소인 빔 스플리터와 파라메트릭 강화기를 사용하여 거의 이상적인 텔레포테이션 품질을 달성한다.
• 고이득 광학 강화($G \gg 1$)를 통해 고전적 성질을 띠는 채널을 생성함으로써 공액 쌍의 동시 측정이 가능하며, 양자 노이즈 손실이 거의 없이 이루어진다.
• EPR-얽힌 광선 $b_1$과 $b_2$의 사용으로 인해 진공 노이즈 항목이 상호 상관되어 출력 상태에 대한 영향이 감소한다.
• 시스템은 본질적으로 시간 대칭적이며, 비가역성은 사용하지 않는 빔($e$와 $f$)을 폐기하는 데서 기인하며, 측정 또는 변조에서 기인하지 않는다.
• 특히 파라메트릭 강화기의 넓은 이득 대역폭 덕분에 현재 기술로도 실험적으로 실현 가능하며, 다중시간 모드 광 펄스의 텔레포테이션을 가능하게 한다.