[논문 리뷰] The Quantum State of a Propagating Laser Field

S. J. van Enk, Christopher A. Fuchs|ArXiv.org|2001. 11. 29.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 연속파 레이저 장의 양자 상태를 혼합된 N개의 동일한 순수 코herent 상태로 재정의하며, 양자 de Finetti 정리를 사용하여 코herent 상태가 내부 공진기 장이 혼합 상태임에도 불구하고 출력 비트에서 특별한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이는 일반 레이저가 순수 코herent 상태가 아니어도 공유된 위상 기준이 존재한다면 연속 변수 양자 텔레포테이션과 얽힘 생성을 가능하게 한다는 점에서 오랫동안 빛을 발한 논란을 해결한다.

ABSTRACT

Optical implementations of quantum communication protocols typically involve laser fields. However, the standard description of the quantum state of a laser field is surprisingly insufficient to understand the quantum nature of such implementations. In this paper, we give a quantum information-theoretic description of a propagating continuous-wave laser field and reinterpret various quantum-optical experiments in light of this. A timely example is found in a recent controversy about the quantum teleportation of continuous variables. We show that contrary to the claims of T. Rudolph and B. C. Sanders [Phys. Rev. Lett. 87, 077903 (2001)], a conventional laser can be used for quantum teleportation with continuous variables and for generating continuous-variable quantum entanglement. Furthermore, we show that optical coherent states do play a privileged role in the description of propagating laser fields even though they cannot be ascribed such a role for the intracavity field.

연구 동기 및 목표

• 내부 공진기에서 혼합 상태로 기술되는 레이저 장이 여전히 양자 광학 실험에서 위상 기준으로 작용할 수 있는 이유에 대한 오랫동안 지속된 역설을 해결하기 위해.
• 내부 공진기 장 기술에서 존재하지 않는 코herent 상태가 전파되는 레이저 빔을 기술하는 데 왜 유일하게 특별한 역할을 하는지 명확히 하기 위해.
• 일반 레이저가 연속 변수 양자 텔레포테이션과 얽힘을 가능하게 하는지에 대한 논란을 다루며, 순수 코herent 상태가 유일하게 필요한가에 대한 주장을 반박하기 위해.
• 위상 확산이 양자 정보 프로토콜을 방해하지 않음을 보여주기 위해, 공유 위상 기준이 확보되어 있으면 된다.
• 혼합 상태 레이저를 사용해도 얽힘 정련과 텔레포테이션을 가능하게 하며, 프로토콜이 위상 기준에 민감하지 않다면 가능함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 전달되는 레이저 빔의 양자 상태를 N개의 양자 시스템의 시퀀스로 모델링하기 위해 입출력 형식을 사용한다.
• 양자 de Finetti 정리를 적용하여 출력 비트의 상태가 N개의 동일한 순수 코herent 상태의 혼합임을 보여주며, 이 경우에서 코herent 상태의 유일성을 확립한다.
• 위상 확산 이후 레이저 빔의 양자 상태를 분석하여, 무작위 위상이 있는 코herent 상태 혼합으로 남아 있음을 보여준다.
• 두 모드 양자 스트레칭 상태에 대한 위상 확산의 영향을 모델링하여, 위상 랜덤성으로 인해 약간 감소한 얽힘을 갖는 상태가 됨을 보여준다.
• 공유된 레이저 빛이 국소 오실레이터의 위상 기준으로 작용한다는 점을 보여주며, 양자 텔레포테이션 프로토콜을 재해석한다. 이는 추가적인 양자 채널이 아니라 위상 기준임을 의미한다.
• 입력 및 출력 상태가 동일한 위상 기준을 공유하고 있다면, 레이저의 절대 위상에 관계없이 텔레포테이션이 성공함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 공진기 장이 위상이 확정되지 않은 혼합 상태임에도 불구하고, 레이저를 포함한 광학 실험에서 왜 잘 정의된 위상이 필요한가?
• RQ2 광자 수 상태의 혼합 상태로 기술되는 일반 레이저가 여전히 양자 얽힘을 생성하고 연속 변수 텔레포테이션을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 전파되는 레이저 빔의 진정한 양자 상태는 무엇이며, 왜 코herent 상태가 이 기술에서 특별히 유일하게 특별한가?
• RQ4 위상 확산은 레이저 빔의 양자 정보 내용에 어떤 영향을 미치며, 여전히 양자 통신 프로토콜을 지원할 수 있는가?
• RQ5 텔레포테이션 프로토콜에서 국소 오실레이터를 위한 공유 레이저 빛의 존재가 유효한 양자 자원인가, 아니면 단지 고전적 위상 기준인가?

주요 결과

• 전파되는 레이저 빔의 양자 상태는 무작위 위상이 있는 단일 코herent 상태나 수 상태 혼합이 아니라, N개의 동일한 순수 코herent 상태의 혼합이다.
• 양자 de Finetti 정리는 출력 비트를 기술하는 데 있어 코herent 상태의 유일성을 정당화하며, 선호되는 집합 오류를 해결한다.
• 레이저의 위상 확산은 코herent 상태 혼합에 무작위 위상을 유도하지만, 이는 여전히 얽힘 생성이나 텔레포테이션을 방해하지 않는다.
• 위상 확산이 있는 두 모드 양자 스트레칭 상태의 재생 가능한 얽힘은 위상 노이즈로 인해 순수한 두 모드 양자 스트레칭 상태보다 약간 감소한다.
• 연속 변수 양자 텔레포테이션이 일반 레이저를 사용해 가능하다는 점은 프로토콜이 절대 위상에 의존하지 않고 상대 위상에만 의존하기 때문이며, 공유된 레이저 빛이 위상 기준으로 작용한다.
• 레이저 매질에 대한 측정이 코herent 상태를 생성하는 데 필요하지 않다. 빔의 일부에 국소적으로 측정하면 나머지 부분이 순수(또는 거의 순수)한 코herent 상태로 투사될 수 있다.