[논문 리뷰] Enhancing Continuous Variable Quantum Teleportation using Non-Gaussian Resources

Eduardo Villaseñor, Robert Malaney|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 31.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 노이즈가 있는 채널에서 연속 변수 양자 텔레포테이션의 품질을 크게 향상시키기 위해 최적화된 순차적 광자 추가 및 제거(PA-PS) 연산을 사용하여 비가우시안 자원 상태를 생성하는 것을 제안한다. 이 방법은 기존의 가우시안 이중 모드 압축 진공 상태에 비해 섬유 링크에서 최대 40% 이상, 위성-지상 링크에서 70% 이상의 텔레포테이션 거리 향상을 이룬다. 특히 고손실 조건에서 성능 향상이 두드러진다.

ABSTRACT

Continuous Variable (CV) non-Gaussian resources are fundamental in the realization of quantum error correction for CV-based quantum communications and CV-based computing. In this work, we investigate the use of CV non-Gaussian states as quantum teleportation resource states in the context of the transmission of coherent and squeezed states through noisy channels. We consider an array of different non-Gaussian resource states, and compute the fidelity of state teleportation achieved for each resource. Our results show that the use of non-Gaussian states presents a significant advantage compared to the traditional resource adopted for CV teleportation; the Gaussian two-mode squeezed vacuum state. In fiber-based quantum communications, the range of quantum teleportation is increased by approximately 40% via the use of certain non-Gaussian states. In satellite-to-ground quantum communications, for aperture configurations consistent with the Micius satellite, the viable range of quantum teleportation is increased from 700 km to over 1200 km. These results represent a significant increase in the performance of pragmatic and realizable quantum communications in both terrestrial and space-based networks.

연구 동기 및 목표

• 노이즈가 있는 채널에서 다양한 비가우시안 자원 상태가 연속 변수(CV) 양자 텔레포테이션 성능에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이전 연구들이 수행하지 않은 PA-PS 연산 파rameter의 완전한 최적화를 통해 기존 연구의 한계를 보완하는 것.
• 비가우시안 자원(예: PA-PS, PS, PA, PC, QS, SB)을 사용할 때 코herent 상태와 압축 상태의 텔레포테이션 품질을 기준 가우시안 이중 모드 압축 진공(TMSV) 상태와 비교하는 것.
• 이러한 비가우시안 상태가 실세계의 지상(섬유) 및 위성 기반(위성-지상) 양자 통신 네트워크에서 실용적으로 가능한지 평가하는 것.
• 실제 손실과 여분의 노이즈 조건 하에서 텔레포테이션 거리 향상과 품질 저항력 향상 정도를 정량화하는 것.

제안 방법

• 연구는 텔레포테이션 과정을 모델링하고 텔레포터드 코herent 및 압축 상태의 품질을 계산하기 위해 위그너 특성 함수 형식을 사용한다.
• 비가우시안 자원 상태는 순차적 광자 추가(PA) 및 제거(PS) 연산을 통해 생성되며, 품질를 최대화하기 위해 압축 파rameter r과 이득 g=1/η에 대해 최적화된다.
• 분석에는 다섯 종류의 비가우시안 상태가 포함된다: 광자 제거(PS), 광자 추가(PA), 광자 촉매(PC), 양자 가위(QS), 압축 벨 유사(SB) 상태.
• 실제 채널 모델을 사용한다: 섬유의 경우 선형 여분 노이즈 모델 ϵ_fiber = aL + 6×10⁻⁴ (a=5.3×10⁻⁵ km⁻¹)을 사용하고, 위성-지상의 경우 조리개 크기에 따라 투과도와 여분 노이즈가 달라지며, 평균 투과도는 500km에서 T≈0.06, 1460km에서 T≈0.002이다.
• 품질은 채널 길이 L에 따라 계산되며, 고전적 한계는 2/3로 설정되고, 이 한계를 초과하는 최대 거리가 보고된다.
• 최적화된 PA-PS 상태의 성능은 두 채널 유형 모두에서 모든 다른 비가우시안 상태와 TMSV 상태와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 순차적 PA-PS 연산이 연속 변수 양자 텔레포테이션 품질에서 표준 가우시안 TMSV 상태를 능가하는 비가우시안 자원 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 실제 섬유 및 위성-지상 채널 조건에서 다양한 비가우시안 자원 상태를 사용할 경우, 텔레포터드 코herent 및 압축 상태의 품질은 어떻게 변하는가?
• RQ3 비가우시안 자원을 사용할 경우, 품질이 고전적 한계를 초과하는 최대 거리는 TMSV 상태 대비 얼마나 증가하는가?
• RQ4 PA-PS 연산의 파rameter 최적화는 고손실 환경에서 CV 텔레포테이션의 저항성과 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비가우시안 상태는 실질적인 지상 및 위성 기반 양자 네트워크에서 연속 변수 양자 텔레포테이션의 실현 가능성을 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 최적화된 PA-PS 상태는 섬유 링크에서 코herent 상태의 최대 텔레포테이션 거리를 TMSV를 사용할 때 100 km에서 140 km로 늘려 40% 향상시킨다.
• 섬유 링크에서 압축 상태의 경우, 품질이 고전적 한계를 초과하는 최대 거리는 TMSV 상태의 38 km에서 PA-PS 상태로 65 km로 늘어나 71% 향상된다.
• 위성-지상 링크에서는 PA-PS 상태가 텔레포테이션 가능 거리를 TMSV 상태의 700 km에서 1200 km 이상으로 연장하여 80% 이상 증가시킨다.
• SB 상태는 저손실 영역에서 가장 높은 품질을 달성하지만, 장거리 양자 통신에서 흔히 발생하는 고손실 환경에서는 PA-PS 상태가 모든 다른 상태를 능가한다.
• 파arameter 최적화 없이선 PA-PS 상태는 섬유 링크에서 92 km 이하, 위성 링크에서 610 km 이하에서만 성능을 발휘하며, 이는 최적화가 성능 향상에 필수적임을 보여준다.
• 모든 고려된 거리에서 위성-지상 링크에서 텔레포터드 압축 상태의 품질은 고전적 한계 이하로 유지되며, 이는 현재 비가우시안 자원 성능이 이 입력 상태에 대해 한계를 가짐을 시사한다.