[논문 리뷰] Qubit teleportation between non-neighboring nodes in a quantum network

Sophie Hermans, Matteo Pompili외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 삼중성 질소빈자리(NV) 중심을 사용하여 고체 상태 양자 네트워크에서 비접속 노드 간의 결정론적 양자 텔레포테이션을 구현한다. 중간 노드를 통한 양자 얽힘 스위칭과 맞춤형 경고, 기저 교환 반복 독출, 활성 메모리 보호를 활용하여 저자들은 고전적 한계(0.702 ± 0.011)를 초월하는 텔레포테이션 성능을 단위 효율로 달성하였으며, 이는 확장 가능한 양자 네트워크로 향하는 핵심 단계이다.

ABSTRACT

Future quantum internet applications will derive their power from the ability to share quantum information across the network. Quantum teleportation allows for the reliable transfer of quantum information between distant nodes, even in the presence of highly lossy network connections. While many experimental demonstrations have been performed on different quantum network platforms, moving beyond directly connected nodes has so far been hindered by the demanding requirements on the pre-shared remote entanglement, joint qubit readout and coherence times. Here we realize quantum teleportation between remote, non-neighboring nodes in a quantum network. The network employs three optically connected nodes based on solid-state spin qubits. The teleporter is prepared by establishing remote entanglement on the two links, followed by entanglement swapping on the middle node and storage in a memory qubit. We demonstrate that once successful preparation of the teleporter is heralded, arbitrary qubit states can be teleported with fidelity above the classical bound, even with unit efficiency. These results are enabled by key innovations in the qubit readout procedure, active memory qubit protection during entanglement generation and tailored heralding that reduces remote entanglement infidelities. Our work demonstrates a prime building block for future quantum networks and opens the door to exploring teleportation-based multi-node protocols and applications.

연구 동기 및 목표

• 손실이 있는 양자 네트워크에서 직접 연결된 노드를 초월한 신뢰할 수 있는 장거리 양자 정보 전송을 가능하게 하기 위해.
• 다중 노드 양자 네트워크에서 사전 공유된 얽힘 품질, 동시 큐비트 측정, 그리고 공명 시간 제한 문제를 극복하기 위해.
• 통합 메모리와 광학 연결을 갖춘 고체 상태 스핀 큐비트를 사용하여 확장 가능한, 경고 기반의 텔레포테이션 프로토콜을 구현하기 위해.

제안 방법

• 상호 이웃 노드(Alice-Bob 및 Bob-Charlie) 간에 단일 광자 프로토콜과 위상 안정화 광학 링크를 사용하여 얽힘을 생성한다.
• Bob의 노드에서 양자 얽힘 스위칭을 수행하여 원거리에서 Alice와 Charlie 간의 얽힘을 형성하고, 이를 텔레포터로 활용한다.
• 메모리 큐비트의 품질을 향상시키고 독출 오류를 줄이기 위해 기저 교환 반복(BAR) 독출 기법을 사용한다.
• 이중 자극과 $\\\ket{0}$ 상태 점유로 인한 오진 긍정을 최소화하기 위해 맞춤형 경고 프로토콜을 구현한다.
• 얽힘 생성 중 활성 메모리 보호를 통해 디코herence를 억제하고 품질을 향상시킨다.
• Charlie의 통신 큐비트와 메모리 큐비트에서 조건부 벨 상태 측정을 수행한 후, 앨리스에서 피드포워드 연산을 수행하여 텔레포테이션을 완료한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 양자 네트워크에서 고성능과 단위 효율을 갖춘 비접속 노드 간의 양자 텔레포테이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이중 자극과 $\\\ket{0}$ 상태 점유 오류가 존재하는 상황에서 원거리 얽힘 품질을 어떻게 유지하고 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 맞춤형 경고와 BAR 독출 기법이 다중 노드 네트워크에서 텔레포테이션 품질과 실험 속도에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 메모리 큐비트의 공명 시간과 동시 큐비트 측정이 텔레포테이션 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 손실이 있는 광학 채널을 갖춘 네트워크에서 실시간 피드포워드를 통한 결정론적 텔레포테이션을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 임의의 입력 상태에 대한 평균 텔레포테이션 품질은 0.702 ± 0.011에 도달하여 고전적 한계인 2/3를 초월하였다.
• 특정 파울리 고유상태에 대한 텔레포테이션 품질은 −Y 상태에서 0.651 ± 0.027에서부터 X 상태에서 0.760 ± 0.024까지 변동하였으며, 중첩 상태는 0.4936 ± 0.0019의 품질을 기록하였다.
• 기저 교환 반복(BAR) 독출 기법을 사용함으로써 메모리 큐비트의 독출 품질이 향상되었으며, 10회 반복 시 일관되지 않은 패턴 비율이 1% 이하로 감소하였다.
• 맞춤형 경고로 원거리 얽힘의 비품질이 감소하여, 이중 노드 연결의 총 품질이 0.808 ± 0.017로 향상되었다.
• 모든 혁신 요소를 적용한 결과 실험 속도가 1회 텔레포테이션당 74초로 향상되었으며, 기본 기준 대비 1회당 53초에서 개선되었다.
• 시뮬레이션 결과 모든 오류 요소를 종합하면 총 비품질이 0.305로 나타나지만, 오류 보정 덕분에 실험적 품질은 여전히 고전적 한계를 초월한다.