[논문 리뷰] Nonlocal memory assisted entanglement distribution in optical fibers

Guo‐Yong Xiang, Zhibo Hou외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 20.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 편광 얽힌 광자 쌍에서의 주파수 상관관계가 비국소적 메모리 효과를 유도함으로써, 편광 유지 광섬유에서의 얽힘 분포를 크게 향상시킴을 실험적으로 입증한다. 펌프 레이저의 스펙트럼 폭을 조절하여 주파수 반상관관계를 증가시킴으로써, 추가 하드웨어 없이도 얽힘을 유지하는 데 있어 섬유 길이를 최대 12배 향상시킬 수 있었으며, 이는 추가 장비 없이도 국소적 노이즈 채널을 능가하는 성능을 제공한다.

ABSTRACT

Successful implementation of several quantum information and communication protocols require distributing entangled pairs of quantum bits in reliable manner. While there exists a substantial amount of recent theoretical and experimental activities dealing with non-Markovian quantum dynamics, experimental application and verification of the usefulness of memory-effects for quantum information tasks is still missing. We combine these two aspects and show experimentally that a recently introduced concept of nonlocal memory effects allows to protect and distribute polarization entangled pairs of photons in efficient manner within polarization-maintaining (PM) optical fibers. The introduced scheme is based on correlating the environments, i.e. frequencies of the polarization entangled photons, before their physical distribution. When comparing to the case without nonlocal memory effects, we demonstrate at least 12-fold improvement in the channel, or fiber length, for preserving the highly-entangled initial polarization states of photons against dephasing.

연구 동기 및 목표

• 환경적 위상 분산 노이즈로 인한 편광 얽힘 유지 문제 해결.
• 섬유 전송 중에 얽힘 품질을 떨어뜨리는 국소적 노이즈 채널의 한계 극복.
• 비국소적 메모리 효과—초기 광자 주파수 환경 상관관계에서 기인하는 효과—가 얽힘을 보호할 수 있음을 실험적으로 입증.
• 후처리 보정 또는 추가 부품 없이도, 오직 분포 이전의 펌프 소스 제어만으로도 이 보호 기능을 달성할 수 있음을 보여줌.
• 기존 광섬유 인프라를 활용한 양자 네트워크에서 장거리 얽힘 분포를 위한 실용적이고 확장 가능한 방법 설정.

제안 방법

• 조정 가능한 협대역 펌프 레이저를 사용하여 자발적 비선형 다운컨버전을 통해 편광 얽힌 광자 쌍 생성.
• 펌프 레이저의 스펙트럼 폭을 제어하여 얽힌 광자 간의 초기 주파수 반상관관계를 설계.
• 각 광자를 별도의 편광 유지(_PM_) 광섬유를 통해 전송하여 상관관계 있는 환경 노이즈를 갖는 비국소 채널 시뮬레이션.
• 상관관계 있는 환경의 비마르코프 성질을 활용해 위상 분산를 억제하여, 시스템이 마치 닫힌 상태인 것처럼 행동하도록 유도.
• 다양한 섬유 길이에서 전송 후 출력 상태의 허상도 및 농도를 측정하기 위해 상태 토모그래피 적용.
• 펌프 폭 및 주파수 상관관계 강도에 따라 국소(LOC), 중간 비국소(NL1), 고도로 비국소(NL2) 채널 3종류 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얽힌 광자에서의 초기 주파수 상관관계에서 기인하는 비국소적 메모리 효과가 광섬유 전송 중 편광 얽힘을 보호할 수 있는가?
• RQ2 얽힌 광자 간 주파수 반상관관계 정도를 높일수록 얽힘 유지 거리가 얼마나 향상되는가?
• RQ3 비국소 채널의 성능은 국소 채널 대비 허상도 및 얽힘 유지 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 얽힘 보호 기능은 추가 하드웨어나 후처리 없이 오직 분포 이전의 펌프 소스 제어만으로 달성 가능한가?
• RQ5 비국소적 메모리 효과를 통해 최대 몇 배의 섬유 길이 향상 요인을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 주파수 반상관관계를 유도하는 좁은 펌프 폭을 사용한 고도로 비국소 채널(NL2)은 100m 섬유 전송 후에도 초깃값의 얽힘 허상도 0.979 ± 0.003을 유지하였다.
• NL2 채널에서의 얽힘 유지 향상 요인 R은 12에 도달하여, 국소 채널(LOC) 대비 효과적인 섬유 길이가 12배 증가함을 나타냈다.
• NL2 채널의 CHSH 값은 2.66 ± 0.04로 측정되어 비국소적 상관관계와 전송 후에도 강력한 얽힘 상태 존재를 확인하였다.
• 중간 펌프 폭(NL1) 조건에서도 향상 요인은 2로 측정되어, 상관관계가 덜한 상황이지만 여전히 국소 채널 대비 유의미한 향상이 있었다.
• NL2 조건에서의 초깃값 편광 얽힘은 높은 수준을 유지하였으며(벨 상태와의 허상도 0.990 ± 0.005), 이는 초기 양자 상태 품질이 그대로 유지됨을 보여주었다.
• 이 방법은 상태 준비 이후 추가 부품이 필요 없으며, 오직 펌프 레이저의 스펙트럼 형상 조절에 의존하므로 기존 양자 통신 시스템과 호환 가능하다.