[논문 리뷰] Experimental multi-level quantum teleportation

Xiao‐Min Hu, Chao Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 28.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 경로 모드 자유도와 보조 양자 얽힌 광자들을 활용하여 여섯 광자 시스템을 사용하여 다수 수준의 광자 상태에 대한 결정론적 3차원 양자 텔레포테이션을 구현한다. 이는 3차원 벨 상태 측정을 수행한다. 실험은 0.630 이상의 텔레포테이션 허점도를 달성하여 고전적 한계인 0.5를 초월하여 더 높은 힐버트 공간에서 복잡한 양자 상태의 원격 재구성 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

Quantum teleportation provides a way to transmit unknown quantum states from one location to another via previously shared quantum entanglement and classical communications. Discrete variable states and continuous variable states in one degree of freedom have been transported. Recent work has also demonstrated the capability of teleporting multiple degrees of freedom of a single photon [13]. These advances enable the quantum teleportation technique to transport the states of quantum systems reliably. However, in the quantum world, multi-level systems such as the single atom of quantized energy and the single photon of orbital angular momentum are more prevalent. Therefore, to completely rebuild the quantum states of a single particle remotely, one needs to teleport multi-level states. However, performing a deterministic multi-level Bell state measurement, a key step in quantum teleportation, remains a challenge. Here, we demonstrate the teleportation of multi-level states of a single photon in a three-dimensional six-photon system. We exploit the path mode of a single photon as the multilevel system, use two auxiliary entangled photons to realize a deterministic three-dimensional Bell state measurement. Therefore we can teleport three-level states to another photon assisted by pre-shared entangled two-photon three-level states and classical communications. The teleportation fidelities are all above 0.630, and obviously exceed the classical limit 0.5. Our work paves the way to rebuild complex quantum systems remotely and to construct complex quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 차원의 힐버트 공간에서 다수 수준의 양자 상태를 결정론적으로 텔레포트하는 것, 특히 단일 광자의 3차원 상태를 대상으로 한다.
• 고차원 양자 텔레포테이션의 핵심적 장애물인 다수 수준의 결정론적 벨 상태 측정을 수행하는 데 도전하는 것.
• 사전 공유된 양자 얽힘과 고전적 통신을 통해 다수 수준의 상태를 텔레포트하여 복잡한 양자 시스템의 원격 재구성 가능성을 제공하는 것.
• 높은 품질의 텔레포테이션은 3차원 시스템에서 실현 가능하며, 확장 가능한 양자 네트워크의 길을 열어주는 것.

제안 방법

• 다수 수준의 시스템은 단일 광자의 경로 자유도에 코딩되어 있어, 세 수준(qutrit 유사)의 양자 상태를 가능하게 한다.
• 두 개의 보조 양자 얽힌 광자를 사용하여 결정론적 3차원 벨 상태 측정을 실현함으로써, 확률적 측정 기법을 대체한다.
• 사전 공유된 두 광자로 구성된 세 수준의 양자 얽힌 상태가 텔레포테이션의 양자 채널로 기능하여, 서로 떨어진 당사자 간의 상태 전송을 가능하게 한다.
• 고전적 통신을 통해 측정 결과를 전달함으로써 수신자가 적절한 유니터리 보정을 적용하여 텔레포트된 상태를 재구성할 수 있도록 한다.
• 프로토콜은 선형 광학 요소와 단일 광자 탐지기를 사용한 여섯 광자 시스템을 통해 구현되며, 벨 상태 측정과 텔레포테이션 허점도의 검증을 위해 사용된다.
• 허점도는 양자 상태 단층 측정을 통해 텔레포트된 상태를 이상적인 목표 상태와 비교하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 경로 모드를 사용하여 다수 수준의 결정론적 고차원 양자 텔레포테이션을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 보조 양자 얽힌 광자를 사용하여 결정론적 3차원 벨 상태 측정을 수행할 수 있는가?
• RQ3 광자 시스템에서 세 수준의 양자 상태에 대한 텔레포테이션 허점도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ4 3차원 시스템에서 텔레포테이션 허점도가 고전적 한계인 0.5를 초월할 수 있는가?
• RQ5 보조 양자 얽힘의 사용은 다수 수준의 양자 텔레포테이션의 신뢰성과 확장성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 실험은 경로 모드 코딩을 사용하여 광자 시스템에서 세 수준의 양자 상태에 대한 결정론적 텔레포테이션을 성공적으로 구현하였다.
• 두 개의 보조 양자 얽힌 광자를 사용하여 결정론적 3차원 벨 상태 측정이 달성되었다.
• 측정된 모든 텔레포테이션 허점도는 0.630를 초과하여 고전적 한계인 0.5를 크게 상회한다.
• 높은 허점도는 사전 공유된 양자 얽힘과 고전적 통신을 통해 복잡한 양자 상태를 거리가 먼 곳으로 신뢰성 있게 전송할 수 있음을 확인한다.
• 결과는 다수 수준의 양자 시스템의 원격 재구성 가능성을 검증하였으며, 확장 가능한 양자 네트워크에 필수적인 조건을 충족함을 보여준다.
• 이 프로토콜은 고차원 양자 정보 처리 및 양자 통신을 위한 확장 가능한 프레임워크를 제공한다.