[論文レビュー] All Optical Quantum Teleportation

Timothy C. Ralph|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 1998

Quantum Information and Cryptography被引用数 39

ひとこと要約

本稿では、電気光学素子を排除するために、光学パラメトリック増幅器とアインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）もつれ光ビームを用いた、完全に全光的で連続変数量子トランスポートレーションの方式を提案する。高利得パラメトリック増幅とビームスプリッタネットワークを活用することで、無限大のパラメトリック利得の極限において、ほぼ完全な状態再構成（$a_{\text{out}} \to a_{\text{in}}$）が達成され、電子的信号処理を伴わない高帯域、可逆的量子トランスポートレーションが可能になる。

ABSTRACT

We propose an all optical, continuous variable, quantum teleportation scheme based on optical parametric amplifiers.

研究の動機と目的

• 電気光学的信号処理に起因する帯域制限が引き起こす既存の量子トランスポートレーション方式の制限を克服すること。
• 電気光学的コンponentsを一切使用せず、光学素子のみで構成される連続変数量子トランスポートレーションの完全な全光的実装を開発すること。
• 量子トランスポートレーションが、不可逆的な電子的検出や変調を伴わずに実現可能であることを示すこと。
• 広帯域パラメトリック増幅を用いて、多時空間モードの光場をトランスポートレーション可能かどうかを検討すること。
• ビームスプリッタとパラメトリック増幅器を用いて、時間的に対称的で根本的に可逆的な量子トランスポートレーションの枠組みを提供すること。

提案手法

• 利得 $G \gg 1$ の線形光増幅器を用い、入力量子場を古典的性質を持つ場 $a_c = \sqrt{G}a_{\text{in}} + \sqrt{G-1}v_1^\dagger$ に変換することで、共役位相の測定を古典的に行えるようにする。
• 50:50のビームスプリッタを用いて、増幅された場とEPRもつれ光ビーム $b_1$ を結合し、$\pi$位相シフト付きのポンプを用いた非縮退パラメトリック増幅により古典チャネルを生成する。
• 透過率 $\varepsilon = 1/G$ のビームスプリッタを用いて出力を再構成し、$a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + \sqrt{(G-1)/G}(v_1^\dagger - v_2)$ を得る。
• 真空入力を非縮退パラメトリック増幅により生成されたEPRもつれ光ビーム $b_1$ と $b_2$ に置き換え、$\Delta(X_{b1}^+ - X_{b2}^+)^2 < 1$ および $\Delta(X_{b1}^- + X_{b2}^-)^2 < 1$ を満たす。
• 古典的および量子的トランスポートレーション方式の形式的同等性を活用し、電子的チャネルの代わりに全光的信号処理を用いることで、高帯域動作を実現する。
• 出力場 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$ が $H \to \infty$ の極限で $a_{\text{in}}$ に近づくことを示し、完全なトランスポートレーションを達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子トランスポートレーションは、古典信号の電気光学変換を一切行わずに、完全に光の領域で実装可能か？
• RQ2 EPRもつれが、高精度な全光的トランスポートレーションを可能にする役割は何か？
• RQ3 平坦な利得プロファイルを有するパラメトリック増幅器を用いることで、トランスポートレーションされる状態の帯域幅とモード構造にどのような影響を与えるか？
• RQ4 時間的に対称的な光学素子を用いることで、量子測定に通常関連する不可逆性を回避できるか？
• RQ5 EPR相関強度を高めた場合、全光的方式における状態再構成の忠実度はどのように変化するか？

主な発見

• 出力場 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$ は、パラメトリック利得が無限大 ($H \to \infty$) に近づく極限で、入力状態 $a_{\text{in}}$ に近づき、完全なトランスポートレーションが達成される。
• 電子的信号処理を一切行わず、ビームスプリッタやパラメトリック増幅器などの光学素子のみに依存することで、ほぼ理想に近いトランスポートレーション忠実度が達成される。
• 古典チャネルは高利得光増幅（$G \gg 1$）により生成され、場は古典的性質を有し、量子ノイズのペナルティが無視できる範囲で共役位相を同時に測定可能となる。
• EPRもつれ光ビーム $b_1$ と $b_2$ を用いることで、真空ノイズ項が相関し、出力状態への影響が相殺される。
• システムは根本的に時間的に対称的であり、不可逆性は測定や変調ではなく、使用されないビーム（$e$ と $f$）の破棄に起因する。
• 特にパラメトリック増幅器の広帯域利得に起因し、現在の技術で実験的に実現可能であり、多時空間モードの光パルスのトランスポートレーションが可能である。