[論文レビュー] Efficient time-bin qubit analyzer compatible with multimode optical channels

Jeongwan Jin, Sascha Agne+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、マルチモード光チャネルにおける空間モード一致を維持する受動的リレーサービスを備えたタイムビン量子ビット分析器を提案する。強力なモード歪みがあっても干渉可視度が89%に達する。これはタイムビン量子ビット測定の高精度を実現し、偏光量子ビットとエンタングルメントを示すものであり、マルチモードリンクを介した量子通信の実現可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Time-bin encoded photonic qubits are robust against decoherence in birefringent media such as optical fibers, which has led to many successful quantum communication demonstrations, including a Mach-Zehnder interferometer-based system, plug-and-play quantum key distribution (QKD), differential phase shift (DPS) and coherent one-way (COW) protocols, quantum teleportation, and elements of quantum repeaters. Despite these successes, time-bin encoding is considered impractical for turbulent free-space or multimode fiber channels, because spatial and temporal mode distortions hinder the interference required for analysis of time-bin superposition states. Here we present an efficient time-bin qubit analyzer, assisted by passive relay optics, that matches the spatial mode of the interfering paths. Our system demonstrates interference visibility of 89 %, even for strongly distorted optical input modes emerging from multimode fiber under variable angles of incidence. We measure a high level of entanglement between a time-bin qubit and a separate polarization qubit, thereby demonstrating the feasibility of time-bin based quantum communication over optical multimodal links.

研究の動機と目的

• タイムビン量子ビット干渉を低下させるマルチモードファイバーおよび乱流の自由空間チャネルにおける空間的・時間的モード歪みの課題を克服すること。
• 従来の干渉計測手法がモード不一致のため失敗するマルチモード光リンクにおいて、実用的なタイムビン量子ビット分析を可能にすること。
• 歪んだマルチモード環境下でも高精度なタイムビン量子ビット測定および偏光量子ビットとのエンタングルメントを実証すること。
• 既存の量子通信プロトコル（QKD や量子トランスポートーション）と互換性があり、マルチモード環境で安定して動作する受動的で頑健なソリューションを開発すること。

提案手法

• タイムビン量子ビット干渉計の二つの干渉経路の空間モードを一致させるために、受動的リレーオプティクスを実装する。
• タイムビン符号化を用いたマハーズェンダ干渉計構成を用いて重ね合わせ状態を分析する。
• 入射角が変化する状況下でマルチモードファイバーが引き起こすモード歪みを補償するリレー系を導入する。
• 入力モードの歪みがあっても、位相安定性と経路間の空間的オーバーラップを維持することで、干渉可視度を保つ。
• 性能を検証するために、干渉可視度およびエンタングルメント忠実度という指標を用いてシステムを特徴づける。
• チャネル歪みの存在下でも、タイムビン量子ビットと偏光量子ビットの共同測定を実施し、エンタングルメントの維持を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的光学リレー系は、マルチモードファイバーにおける空間モード一致を回復させ、高可視度のタイムビン量子ビット干渉を可能にするか？
• RQ2 入射角が変化するマルチモードファイバーによる強い空間モード歪み下でも、システムは干渉可視度をどの程度維持できるか？
• RQ3 提案された分析器を用いてマルチモードチャネルを通過したタイムビン量子ビットと偏光量子ビットとの間のエンタングルメントは、保持されるか？
• RQ4 提案された分析器は、マルチモード環境下で既存のタイムビンベースの量子通信プロトコル（QKD や量子トランスポートーション）に統合可能か？

主な発見

• 入射角が変化する状況下でも、マルチモードファイバーによる強いモード歪みがあっても、干渉可視度が89%に達する。
• 受動的リレーオプティクスは空間モード歪みを効果的に補償し、マルチモードチャネルにおける安定した干渉を可能にする。
• タイムビン量子ビットと別個の偏光量子ビットとの間で高忠実度のエンタングルメントが実証され、システム内の量子コherenceが確認された。
• 本分析器は、自由空間およびマルチモードファイバー量子通信における主要な制限要因を克服し、マルチモード光リンクにおける実用的タイムビン量子ビット測定を可能にする。