[논문 리뷰] Experimental control of remote spatial indistinguishability of photons to realize entanglement and teleportation

Kai Sun, Yan Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 24.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 56인용 수 6

한 줄 요약

이 실험은 두 광자의 원거리 공간적 불가구분성에 대한 직접적인 제어를 처음으로 실현하여 가변적인 양자 자원으로 활용함으로써 편광 양자 얽힘을 생성하고 높은 정밀도의 양자 텔레포테이션을 가능하게 한다. 공간적으로 국한된 조작을 통해 원거리 위치에서의 공간 웨이브패킷 겹침을 조절함으로써 엔트로피 측도 $\mathcal{I}$ 를 통해 얽힘 정도가 정밀하게 제어되며, 이로 인해 고전적 한계(79.4% ± 1.6%)를 초월하는 텔레포테이션 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

Remote spatial indistinguishability of identical subsystems as a direct controllable quantum resource at distant sites has not been yet experimentally proven. We design a setup capable to tune the spatial indistinguishability of two photons by independently adjusting their spatial distribution in two distant regions, which leads to polarization entanglement starting from uncorrelated photons. The amount of entanglement uniquely depends on the degree of remote spatial indistinguishability, quantified by an entropic measure $\mathcal{I}$, which enables teleportation with fidelities above the classical threshold. This experiment realizes a basic nonlocal entangling gate by the inherent nature of identical quantum subsystems.

연구 동기 및 목표

• 동일 광자의 원거리 공간적 불가구분성이 직접적인 양자 자원으로 제어될 수 있음을 실험적으로 입증하는 것.
• 원거리 공간적 불가구분성의 정도와 그로 인한 얽힘 사이의 관계를 엔트로피 측도 $\mathcal{I}$ 를 통해 정량화하는 것.
• 직접적인 입자 상호작용 없이도 동일 입자의 본질적 불가구분성만으로 비국소적 엉키는 게이트를 실현하는 것.
• 입자 국소성 정의가 불가능한 상황에서 공간적으로 국한된 측정 및 고전적 통신(sLOCC) 프레임워크가 동일 입자를 이용한 양자 정보 처리에 실현 가능함을 검증하는 것.
• 제어된 불가구분성을 주요 자원으로 사용하여 고정밀도의 양자 텔레포테이션을 실현하고, 고전적 한계를 초월하는 것.

제안 방법

• 광자를 공간적으로 분리된 두 개의 원거리 운영 영역(L 및 R)에 배치하고, 섬유 커플러와 웨이브프론트 형상 제어를 통해 각각의 웨이브패킷을 독립적으로 조절할 수 있는 장치를 구현한다.
• 단일 모드 섬유를 통한 단일 광자 탐지기를 사용하여 벨 기저에서 편광 상태를 측정함으로써 양자 텔레포테이션 프로토콜을 구현한다.
• 측정을 공간적으로 국한된 위치에서 수행하며, 개별 입자에 대한 측정이 아닌, 불가구분성의 비국소적 성격을 유지하는 공간적으로 국한된 조작(sLOCC) 프레임워크를 적용한다.
• 엔트로피 기반 정보 측도 $\mathcal{I}$ 를 도입하여 원거리 공간적 불가구분성의 정도를 정량화하며, 이는 직접적으로 얽힘의 양을 결정한다.
• 다양한 경로에서 온 광자 간의 시간적 겹침과 간섭 가시도를 검증하기 위해 4광자 동시성 측정을 수행하며, 반파판(HWPs)을 사용해 벨 상태로 사영한다.
• 상태 톰그래피를 통해 양자 과정 행렬 $\chi$ 를 재구성하여 텔레포테이션 정밀도를 정량화하고, 준비된 상태와 텔레포트된 상태를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일 광자의 원거리 공간적 불가구분성이 실험적으로 가변적인 양자 자원으로 제어될 수 있는가?
• RQ2 엔트로피 측도 $\mathcal{I}$ 로 정량화된 원거리 공간적 불가구분성의 정도가 얽힘과 텔레포테이션 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 직접적인 상호작용 없이도 동일 입자의 불가구분성만으로 비국소적 엉키는 게이트를 실현할 수 있는가?
• RQ4 입자 국소성이 정의되지 않는 상황에서 sLOCC 프레임워크가 동일 입자를 이용한 신뢰할 수 있는 양자 정보 처리를 가능하게 하는가?
• RQ5 공간적 불가구분성을 주요 얽힘 자원으로 사용할 경우, 양자 텔레포테이션의 최대 정밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 공간 웨이브패킷 제어를 통해 원거리 공간적 불가구분성의 정도를 실험적으로 조절하였으며, 엔트로피 측도 $\mathcal{I}$ 가 핵심 제어 매개변수로 기능하였다.
• 초기에는 상관이 없던 광자들 사이에서 편광 양자 얽힘이 성공적으로 생성되었으며, 그 강도는 $\mathcal{I}$ 와 직접 비례하였다.
• 4광자 간섭 가시도가 87.9%에 도달하여 원거리 원천에서 온 광자 간의 높은 시간적·공간적 겹침을 확인하였다.
• 양자 텔레포테이션 정밀도는 실험적으로 (79.4 ± 1.6)%로 측정되었으며, 고전적 한계인 66.7%를 초월하여 프로토콜의 성공을 확인하였다.
• 재구성된 양자 과정 행렬 $\chi$ 는 이상적인 값 1을 가진 주요 $\chi_{11}$ 성분을 보이며 고정밀도 상태 전송을 확인하였다.
• 광자 경로가 수신 시점에서 분리된 경우, 시스템은 최대 혼합 상태이자 비얽힌 상태로 복귀하였으며, 이는 불가구분성이 얽힘에 필수적임을 확인하였다.