[논문 리뷰] Bell inequality violation with two remote atomic qubits

Dzmitry Matsukevich, Peter Maunz외 3명|arXiv (Cornell University)|2008. 01. 14.

Quantum Information and Cryptography인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 한 명의 원자에서 다른 원자로 떨어져 있는 두 개의 영구 양이온 사이에서, 광자 간섭을 통한 화이트 허브 엔트랑글먼트를 사용하여 검출 손실을 닫고, 처음으로 벨 부등식 위반이 발생했음을 보여준다. 원자 큐비트는 초미세구조 상태에, 광자 큐비트는 편광에 코딩되어 있으며, 실험은 81%의 엔트랑글먼트 허점도를 달성하고 S = 2.22 ± 0.07를 관측하여 고전적 경계를 3개 이상의 표준편차 초과로 위반한다.

ABSTRACT

We observe violation of a Bell inequality between the quantum states of two remote Yb ions separated by a distance of about one meter with the detection loophole closed. The heralded entanglement of two ions is established via interference and joint detection of two emitted photons, whose polarization is entangled with each ion. The entanglement of remote qubits is also characterized by full quantum state tomography.

연구 동기 및 목표

• 두 원격 원자 큐비트 사이의 벨 부등식 검증에서 검출 손실을 닫는 것.
• 광자 링크를 사용하여 포획된 171Yb+ 이온 간의 장거리 엔트랑글먼트를 구현하는 것.
• 손실 없는 벨 검증에 적합한 고신뢰도 이온-이온 엔트랑글먼트를 달성하는 것.
• 검증을 위해 원격 엔트랑글먼트된 이온의 완전한 양자 상태 토모그라피를 가능하게 하는 것.
• 확장 가능한 양자 네트워크와 안전한 양자 통신을 위한 길을 열기 위한 것.

제안 방법

• 369.5 nm의 자극 펄스를 사용해 각 171Yb+ 이온을 광자와 엔트랑글먼트시켜, 이온 상태와 광자 편광의 중첩을 생성한다.
• 파라볼릭판을 사용해 원형 편광을 선형 편광으로 변환하고, 공동 측정을 가능하게 하기 위해 광자를 수집하고 조작한다.
• 두 광자를 비스듬한 분할기에서 간섭시켜 벨 상태 측정을 수행하고, 원격 이온의 엔트랑글먼트를 알리는 조건을 만든다.
• 고효율의 이온 상태 검출 및 빠른 측정을 통해 검출 손실을 닫는다.
• 이온에 대한 국소적 회전과 측정을 수행하여 CHSH 상관 함수 E(θa, θb)를 평가한다.
• CHSH 부등식을 적용한다: S = |E(θa, θb) + E(θ′a, θb)| + |E(θa, θ′b) − E(θ′a, θ′b)| ≤ 2 를 통해 국소 현실주의를 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검출 손실이 닫힌 조건에서 두 원격 원자 큐비트 사이의 벨 부등식을 위반할 수 있는가?
• RQ2 광자 매개 엔트랑글먼트를 통해 생성된 엔트랑글먼트된 이온-이온 상태의 허점도는 얼마인가?
• RQ3 실험 설정은 원격 엔트랑글먼트 상태의 완전한 양자 상태 토모그라피를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 이 광자 매개 이온 엔트랑글먼트 프로토콜에서 엔트랑글먼트 허점도를 제한하는 요소는 무엇인가?
• RQ5 이 프로토콜은 더 큰 거리로 확장되어 손실 없는 벨 검증을 위한 것으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 CHSH 파라미터 S = 2.22 ± 0.07를 관측하여 고전적 경계인 2를 3개 이상의 표준편차 초과로 위반한다.
• 양자 상태 토모그라피를 통해 이온-이온 엔트랑글먼트 허점도가 81.3% ± 1.5%로 측정되어 고신뢰도 엔트랑글먼트를 확인한다.
• 상태의 농도는 0.64 ± 0.03이며, 엔트랑글먼트 형성 에너지는 0.52 ± 0.04로 상당한 엔트랑글먼트 수준을 나타낸다.
• 모든 화이트 허브 엔트랑글먼트 사건이 이온 큐비트 측정으로 이어지므로 검출 손실이 닫혀 있다.
• 최적화된 자극 및 광자 수집 덕분에 엔트랑글먼트 생성 속도가 이전 실험 대비 13배 향상되었다.
• 주요 허점도 손실의 원인은 이온 검출 효율(3%), 자기장 변동(2%), 간섭 대비(9 ± 3%)이다.