[논문 리뷰] Experimental investigating communication in a superposition of causal orders

Yu Guo, Xiao‐Min Hu외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 19.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광학 양자 스위치를 통해 양자 통신에서 인과적 순서를 중첩시킬 경우 고전적 및 양자 정보 전송 속도가 향상됨을 실험적으로 입증한다. 제어 큐비트를 사용해 연산 순서를 양자적으로 제어함으로써, 고전적 인과적 순서보다 측정 가능한 이점을 보여주며, 양자 통신 이론에서의 이론적 예측을 검증한다.

ABSTRACT

Quantum mechanics allows for the superposition of quantum states, thereby bringing about the great success of quantum communications. Recently, in the so-called quantum switch, the relative orders between quantum operations can also be coherently controlled with the help of an auxiliary system. In conventional quantum Shannon theory, however, communication channels are assumed to be combined in a classical way. Relaxing this assumption, it was shown theoretically that one can transmit information through a quantum switch. Here, we experimentally demonstrate this enhancement on the rates of communication for both classical and quantum information with the help of an optical quantum switch. Our results present evidence of the advantages of the superposition of causal orders in the communications domain.

연구 동기 및 목표

• 인과적 순서의 중첩이 양자 정보 시스템에서의 통신 속도 향상에 기여할 수 있는지 조사하기 위해.
• 양자 스위치가 고전적 인과적 순서를 초월해 향상된 정보 전송을 가능하게 한다는 이론적 예측을 실험적으로 검증하기 위해.
• 고전적 및 양자 통신을 위한 광학적 설정에서 양자 스위치를 구현하고 검증하기 위해.
• 통신 용량과 정밀도 측면에서 인과적 중첩의 이점을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 제어 헤이즈드 게이트를 사용해 두 개의 양자 연산 순서를 양자적으로 중첩시키는 광학 양자 스위치를 구현하였다.
• 중첩 상태에 있는 제어 큐비트는 유니터리 연산의 순서를 얽매어, 인과적 순서의 양자적 중첩을 가능하게 한다.
• 광학적 장치에서 편광으로 코딩된 큐비트를 사용해 고전적 및 양자 정보 전송에 대해 프로토콜을 테스트하였다.
• 초월 인과적 순서와 고정된 인과적 순서 간의 채널 용량과 정밀도를 측정하여 통신 속도를 평가하였다.
• 간섭계 기법을 사용해 양자 스위치의 공명 유지와 안정된 작동을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인과적 순서의 중첩이 양자 채널에서 더 높은 통신 속도를 초래할 수 있는가?
• RQ2 인과적 중첩이 고전적 인과적 순서에 비해 정보 전송에서 정량적으로 얼마나 유리한가?
• RQ3 양자 스위치는 고전적 및 양자 통신 용량을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 비결손 조건과 실질적인 실험 조건 하에서도 이점이 견고한가?

주요 결과

• 초월 인과적 순서를 사용할 경우 고정된 인과적 순서에 비해 측정 가능한 통신 속도 향상을 실험적으로 입증하였다.
• 고전적 및 양자 정보 전송 속도가 광학 양자 스위치의 사용으로 향상됨을 확인하였다.
• 인과적 중첩이 양자 통신에서 기본적인 이점을 제공한다는 이론적 예측이 실험적으로 확인되었다.
• 양자 스위치는 연산 순서에 대한 양자적 제어를 가능하게 하여 양자 공명을 유지하고 채널 용량을 향상시켰다.