[논문 리뷰] Transmission of Photonic Polarization States through 55-meter Water: Towards Air-to-sea Quantum Communication

Cheng-Qiu Hu, Zeng‐Quan Yan외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 블루-그린 빛을 사용하여 55미터의 수중 채널을 통해 단일 광자의 편광 상태를 충실하게 전송함으로써, 처리 품질도 0.96에 도달하고 상태 품질은 95% 이상을 기록하였다. 실험은 수중에서 편광 기반 양자 통신의 가능성을 확인하였으며, 인공위성과 잠수정을 이용한 장거리 대기-해양 양자 통신으로 향하는 데 중요한 단계이다.

ABSTRACT

Quantum communication has been rapidly developed due to its unconditional security and successfully implemented through optical fibers and free-space air in experiment. To build a complete quantum communication network involving satellites in space and submersibles in ocean, underwater quantum channel has been investigated in both theory and experiment. However, the question of whether the polarization encoded qubit can survive through a long-distance and high-loss underwater channel, which is considered as the restricted area for satellite-borne radio waves, still remains. Here, we experimentally demonstrate the transmission of blue-green photonic polarization states through 55-meter-long water. We prepare six universal quantum states at single photon level and observe their faithful transmission in a large marine test platform. We obtain the complete information of the channel by quantum process tomography. The distance demonstrated in this work reaches a region allowing potential real applications, representing a step further towards air-to-sea quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 장거리 수중 양자 채널에서 광자의 편광 상태를 큐비트로 사용할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 수중에서 높은 손실과 강한 산란으로 인해 양자 상태의 무결성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해.
• 상태 및 처리 품질을 측정하여 수중 채널이 양자 키 분배에 신뢰할 수 있는지를 검증하기 위해.
• 수중에서의 블루-그린 광학 창문을 활용한 향후 대기-해양 양자 통신의 기초를 마련하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 실현 가능한 대규모 해양 시험 플랫폼에서 실험적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 파라미터 플레이트와 편광 비틀림 분리기를 사용하여 소스에서 여섯 가지 보편적인 단일 광자의 편광 상태를 준비하였다.
• 통제된 깊이와 치수를 갖춘 반개방형 해양 시험 탱크 내에서 55미터 길이의 물 채널을 통해 상태를 전송하였다.
• 배경 노이즈 변동을 완화하기 위해 전달된 광자와 반사된 광자를 동시에 검출하여 양자 상태 단층촬영을 수행하였다.
• 입력 상태에 대한 채널의 영향을 특성화하기 위해 과정 매트릭스 χ를 사용하여 양자 과정 단층촬영을 수행하였다.
• 공식 $ F_s = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\rho_{\text{received}}}\rho_{\text{sent}}\sqrt{\rho_{\text{received}}}} $ 를 사용하여 상태 품질을 계산하였으며, 처리 품질은 $ F_P = \text{tr}\sqrt{\sqrt{\chi_{\text{water}}}\chi_{\text{ideal}}\sqrt{\chi_{\text{water}}}} $ 를 사용하였다.
• 과정 단층촬영을 위해 채널의 작동을 재구성하기 위해 기저 $ \widetilde{E}_0 = I, \widetilde{E}_1 = X, \widetilde{E}_2 = Y, \widetilde{E}_3 = Z $ 를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자의 편광 큐비트는 55미터 수중 채널을 통과할 동안 높은 품질을 유지할 수 있는가?
• RQ2 해수에서의 산란과 손실은 전송 중에 양자 상태를 어느 정도 악화시키는가?
• RQ3 양자 과정 단층촬영를 통해 수중 채널을 얼마나 정확하게 특성화할 수 있는가?
• RQ4 해수에서의 양자 과정 품질이 실용적인 양자 통신을 지원하기에 충분히 높은가?
• RQ5 해수에서의 블루-그린 창문은 인공위성 기반 시스템과의 장거리 대기-해양 양자 통신을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 여섯 가지 보편적인 편광 상태에 대한 평균 상태 품질은 0.976에 도달하였으며, 모든 개별 품질은 95%를 초과하였다.
• 측정된 수중 채널과 이상적인 채널 간의 처리 품질은 0.96이었으며, 이는 높은 채널 신뢰성을 나타내었다.
• 배경 제거 없이도 평균 편광 상관관계의 시각화는 90.7%였으며, 개별 시각화는 85.5%에서 95.2% 사이였다.
• 수신된 상태의 평균 순도는 0.942였으며, 전송 중에 최소한의 디코herence가 발생했음을 나타내었다.
• 측정된 과정 매트릭스는 이상적인 항등 연산과 강한 유사성을 보였으며, 채널이 양자 정보를 유지할 수 있음을 확인하였다.
• 결과는 감쇠 계수가 낮은 환경(예: 0.018 m⁻¹)에서 더 긴 전송 거리(55m 초과)가 가능할 수 있음을 시사한다.