[논문 리뷰] Reconfigurable Optical Quantum Networks Using Multimode Quantum Frequency Combs and Pulse Shaping

Yin Cai, Jonathan Roslund외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다모드 양자 주파수 군집과 펄스 형상 제어를 이용한 재구성 가능한 광학 양자 네트워크 시뮬레이터를 제시하며, 하드웨어를 변경하지 않고도 다양한 클러스터 상태와 기밀 공유 프로토콜을 수요에 따라 생성할 수 있다. 수신기의 측정 과정을 적절히 조절한 동일한 로컬 올라우저를 사용하는 동일한 측정 방식을 통해, 시스템은 13종의 서로 다른 클러스터 상태를 실현하고, 높은 압축 상태에서 양자 기밀 공유의 거의 완벽한 품질을 달성한다. 이는 네트워크의 구조가 원천이나 설정이 아닌 측정 방식에 의해 동적으로 제어된다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Multimode entanglement is quintessential for the design and fabrication of quantum networks, which play a central role in quantum information processing and quantum metrology. However, an experimental setup is generally constructed with a specific network configuration in mind and therefore exhibits reduced versatility and scalability. The present work demonstrates an on-demand, reconfigurable quantum network simulator, using an intrinsically multimode quantum resource and a homodyne detection apparatus. Without altering either the initial squeezing source or experimen- tal architecture, we realize the construction of thirteen cluster states of various size and connectivity as well as the implementation of a secret sharing protocol. In particular, this simulator enables the interrogation of quantum correlations and fluctuations for a Gaussian quantum network. This initi- ates a new avenue for implementing on-demand quantum information processing by only adapting the measurement process and not the experimental layout.

연구 동기 및 목표

• 고정 구성을 가진 양자 네트워크의 유연성과 확장성의 한계를 극복하기 위해 네트워크의 구조를 동적으로 재구성할 수 있도록 하는 것.
• 클러스터 상태나 기밀 공유 프로토콜과 같은 양자 네트워크의 구조가 하드웨어 변경이 아닌 측정 설정에 의해만 제어될 수 있음을 입증하는 것.
• 측정 기저와 후처리가 가우시안 양자 네트워크에서 다중 입자 얽힘의 형태를 어떻게 결정하는지 탐색하는 것.
• 단일의 내재적으로 다모드인 양자 자원을 사용하여 수요에 따라 양자 정보 처리를 수행할 수 있는지 검증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 다모드 압축 주파수 군집을 유일한 양자 자원으로 사용하여 여러 광학 모드에 걸쳐 얽힌 상태를 생성한다.
• 펄스 형상 제어를 통해 동일 측정 장치의 로컬 올라우저에 적용하여 다모드 상태를 임의의 측정 기저로 투사한다.
• 측정 기저를 통한 유니터리 변환을 통해 효과적인 네트워크 구조를 재구성할 수 있으며, 이는 크기와 연결성의 다양성을 가진 클러스터 상태를 포함한다.
• 네트워크의 구조는 초기 자원이나 실험적 레이아웃이 아닌 측정 기저의 선택에 의해 정의된다.
• 기밀 공유 프로토콜은 얽힌 복소수 성분을 참가자들 간에 분배하고, 입력 상태와 재구성된 상태의 공분산 행렬을 사용하여 품질을 계산한다.
• 다양한 압축 수준에서 품질을 계산하기 위해 수치 시뮬레이션과 실험 데이터를 사용하며, 실제 노이즈를 모의하기 위해 측정된 압축 수준의 무작위 변동을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 재구성 없이도 단일 양자 자원을 사용하여 여러 다른 양자 네트워크 구조를 생성할 수 있는가?
• RQ2 가우시안 양자 네트워크의 구조가 얼마나까지 측정 기저에 의해만 제어될 수 있는가?
• RQ3 다모드 주파수 군집과 재구성 가능한 동일 측정을 통해 구현된 기밀 공유 프로토콜의 품질 성능은 어떠한가?
• RQ4 자원의 압축 수준이 기밀 공유 프로토콜에서 재구성된 양자 상태의 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다모드 가우시안 네트워크에서 성공적으로 비밀을 재구성하기 위해 필요한 최소 참가자 수는 몇 명인가?

주요 결과

• 시스템은 자원이나 실험적 레이아웃을 변경하지 않고도 측정 설정만 재구성하여 13종의 서로 다른 크기와 연결성을 가진 클러스터 상태를 성공적으로 생성했다.
• 3명의 참가자/5명의 플레이어 기반 기밀 공유 프로토콜에서, 압축 수준이 증가함에 따라 입력 상태와 재구성된 비밀 상태 사이의 최대 품질이 1에 수렴하며 거의 완벽한 상태 재구성을 나타낸다.
• 압축이 전혀 없는 경우 최대 품질은 2/3으로 제한되며, 이는 고전적 텔레포르테이션 한계와 일치한다. 이는 압축 상태에서의 양자 우월성을 확인한다.
• 압축이 없는 조건에서 모든 참가자에 대한 평균 품질은 3/5에 수렴하며, 이는 기밀 공유의 고전적 k/n 임계값 기반 시나리오와 일치한다.
• 압축 수준이 증가함에 따라 최소 품질도 증가하여 1에 수렴하며, 이는 모든 구성에서의 강건성을 보여준다.
• 실험적으로 측정된 압축 분산을 사용한 수치 시뮬레이션은 현실적인 노이즈 조건 하에서 이론적 예측과 일치하는 품질 성능을 확인한다.