[논문 리뷰] Quantum repeaters based on trapped ions with decoherence free subspace encoding

Michael Zwerger, B. P. Lanyon외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 23.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 현재 실험적 조건을 고려한 가까운 미래의 양자 반복기 프로토콜을 제안하며, 트랩된 이온을 사용하고 디코herence-자유 부분공간(DFS) 인코딩을 통해 집합적 위상변위에 대한 보호를 수행한다. DFS에 큐비트를 인코딩하고 선형 광학을 이용한 결정적 이온-이온 게이트를 사용함으로써, 현재 실험적 파arameter를 사용할 경우 약 800 km 거리에서 벨 상태의 품질이 높아져 벨 부등식을 위반할 수 있으며,未래 향상된 파arameter를 사용할 경우 수천 km까지 거리가 연장된다.

ABSTRACT

Quantum repeaters provide an efficient solution to distribute Bell pairs over arbitrarily long distances. While scalable architectures are demanding regarding the number of qubits that need to be controlled, here we present a quantum repeater scheme aiming to extend the range of present day quantum communications that could be implemented in the near future with trapped ions in cavities. We focus on an architecture where ion-photon entangled states are created locally and subsequently processed with linear optics to create elementary links of ion-ion entangled states. These links are then used to distribute entangled pairs over long distances using successive entanglement swapping operations performed deterministically using ion-ion gates. We show how this architecture can be implemented while encoding the qubits in a decoherence free subspace to protect them against collective dephasing. This results in a protocol that can be used to violate a Bell inequality over distances of about 800 km assuming state of the art parameters. We discuss how this could be improved to several thousand kilometers in future setups.

연구 동기 및 목표

• 트랩된 이온 트랩에서 발생하는 집합적 위상변위로 인해 현재의 트랩된 이온 양자 반복기의 성능에 제한이 존재하는 문제를 해결한다.
• 디코herence-자유 부분공간(DFS) 인코딩을 사용하여 기존 프로토콜에서 발생하는 디코herence로 인한 성능 저하를 극복한다.
• 완전한 엔트로피 정제 없이도 장거리 양자 얽힘 분포를 가능하게 하는 확장 가능한, 가까운 미래의 파라미터에 적합한 양자 반복기 아키텍처를 설계한다.
• DFS 인코딩이 현실적인 실험적 파라미터를 사용하여 국제적 거리에서 고신뢰도의 벨 쌍 분포를 가능하게 함을 입증한다.
• 트랩된 이온을 사용한 DFS 인코딩 시스템에서 논리 연산과 얽힘 스위칭을 구현하기 위한 실용적인 프로토콜을 제공한다.

제안 방법

• 집합적 위상변위의 주요 노이즈 원인인 디코herence-자유 부분공간(DFS)에 논리 큐비트를 인코딩하여 트랩된 이온 시스템에서의 노이즈에 저항한다.
• 이웃 노드 간의 얽힘 스위칭을 수행하기 위해 결정적 이온-이온 얽힘 게이트(예: 제어-위상 게이트)를 사용한다.
• 이온-광자 얽힌 상태의 처리를 선형 광학 기반으로 구현하여 이온 쌍 간의 초기 링크를 생성하고 검증한다.
• 물리적 게이트와 단일 큐비트 측정을 통한 논리 상태 준비를 사용하여 논리 클리포드 연산(Hadamard, CNOT, CZ)을 구성한다.
• 분포 시간을 다중 링크를 통해 계산하기 위해 분석적 모델과 마르코프 체인 모델을 사용한다.
• DFS 수준에서 논리적 엔트로피 정제 프로토콜을 적용하여 품질을 향상시키고 800 km를 초월한 거리까지 연장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 실험적 설정에서 집합적 위상변위가 존재하는 트랩된 이온 기반 양자 반복기가 장거리 얽힘 분포를 달성할 수 있는가?
• RQ2 큐비트를 디코herence-자유 부분공간에 인코딩함으로써, 인코딩되지 않은 프로토콜 대비 양자 반복기의 품질과 범위가 어떻게 향상되는가?
• RQ3 DFS 인코딩과 결정적 게이트를 사용할 경우 현재의 트랩된 이온 파라미터로는 최대 몇 km까지 도달할 수 있는가?
• RQ4 이 프로토콜은 장거리에서 벨 부등식을 위반할 수 있으며, 이는 장치 독립형 양자 키 분배를 가능하게 하는가?
• RQ5 분포 시간은 링크 수에 따라 어떻게 변화하는가? 그리고 분석적 모델과 확률적 모델의 영향은 어떠한가?

주요 결과

• DFS 인코딩이 없는 경우, 원래의 트랩된 이온 반복기 프로토콜은 집합적 위상변위로 인해 직접 광자 전송보다 성능이 열 劣하다.
• DFS 인코딩이 적용된 경우, 최첨단 실험적 파라미터를 사용하여 약 800 km 거리에서 벨 상태의 품질이 높아져 벨 부등식을 위반할 수 있다.
• 7개 링크로 구성된 반복기 체인(400 km)의 경우 분석 근사치를 사용할 때 분포 시간은 약 0.2 초이며, 마르코프 체인 모델 결과인 0.2003 초와 매우 유사하다.
• 향후 향상된 파라미터(예: 더 높은 게이트 품질, 더 나은 광자 수확률)를 사용할 경우 도달 가능한 거리는 수천 km까지 연장될 수 있다.
• 물리적 게이트와 측정 기반 준비를 통해 논리적 연산(CNOT 및 CZ 게이트)을 수행할 수 있으며, 이는 확장 가능한 논리적 엔트로피 정제를 가능하게 한다.
• DFS 기반 프로토콜은 완전한 엔트로피 정제 없이도 국제적 규모의 양자 통신을 가능하게 하여, 실용적인 가까운 미래 아키텍처로 유력하다.