[논문 리뷰] Quantum teleportation with independent sources over an optical fibre network

Qi-Chao Sun, Ya-Li Mao외 16명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 23.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 독립적으로 준비된 광자 원천을 사용하여 30 km의 광섬유 네트워크를 통해 양자 텔레포테이션을 구현하였으며, 활성 피드포워드와 지연 벨 상태 측정을 통해 평균 상태 허상도 85(3)%와 과정 허상도 77(3)%를 달성하였다. 결과는 고전적 한계를 초월하며, 통계적 신뢰 수준이 2.4×10⁻¹⁴ 이하로, 텔레포테이션의 양자적 성격을 확인한다.

ABSTRACT

Quantum teleportation faithfully transfers a quantum state between distant nodes in a network, enabling revolutionary information processing applications. Here we report teleporting quantum states over a 30 km optical fiber network with the input single photon state and the EPR state prepared independently. By buffering photons in 10 km coiled optical fiber, we perform Bell state measurement after entanglement distribution. With active feed-forward operation, the average quantum state fidelity and quantum process fidelity are measured to be 0.85 and 0.77, exceeding classical limits of 0.67 and 0.5, respectively. The statistical hypothesis test shows that the probability of a classical process to predict an average state fidelity no less than the one observed in our experiment is less than 2.4E-14, confirming the quantum nature of our quantum teleportation experiment. Our experiment marks a critical step towards the realization of quantum internet in the future.

연구 동기 및 목표

• 독립적 광자 원천을 사용하여 확장 가능한 양자 네트워크에서의 양자 텔레포테이션을 가능하게 하기 위해.
• 장거리 광섬유에서 독립적으로 생성된 얽힌 상태 간의 시간 및 위상 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 실제 현장 테스트에서 실용적이고 동기화되지 않은 원천을 사용하여 고신뢰도의 양자 텔레포테이션을 구현하기 위해.
• 엄격한 통계적 가설 검정을 통해 고전적 대안 대비 텔레포테이션의 양자적 성격을 검증하기 위해.
• 기존의 광섬유 인프라를 활용한 미래의 양자 인터넷 실현 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 앨리스와 샤를로의 독립적 양자 원천이 각각 단일 광자와 얽힌 광자 쌍(EPR 상태)을 동기화 없이 별도로 생성한다.
• 벨 상태 측정(BSM) 이전에 입력 상태와 얽힌 상태의 시간적 정렬을 위해 광자를 10 km 코iled 광섬유에 보관한다.
• 얽힘 분포 이후에 지연 벨 상태 측정을 수행하여 관련 광자의 시간적 겹침을 보장한다.
• 실시간으로 BSM 결과를 전송하여 대상 큐비트에 올바른 유니터리 보정을 적용하는 활성 피드포워드 작동을 수행한다.
• 시간-디지털 변환기(TDC)를 사용한 4중 동시 검출을 통해 성공적인 텔레포테이션 사건을 식별한다.
• 밀도 행렬을 재구성하고 상태 및 과정 허상도를 계산하기 위해 양자 상태 토모그라피와 과정 토모그라피를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실세계 광섬유 네트워크에서 독립적으로 생성된 양자 상태를 사용하여 고신뢰도의 양자 텔레포테이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 광자 버퍼링을 통한 지연 벨 상태 측정은 분산 네트워크에서 텔레포테이션 허상도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 고전적 과정이 관측된 텔레포테이션 허상도를 재현할 수 있는 통계적 확률은 얼마인가?
• RQ4 다중 광자 방출 및 비이deal 유니터리 작동의 불완전성은 텔레포테이션 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현장에 구축된 환경에서 고도의 통계적 신뢰도로 텔레포테이션의 양자적 성격을 실험적으로 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 활성 피드포워드를 사용한 평균 양자 상태 허상도는 85(3)%에 도달하였으며, 고전적 한계인 2/3를 크게 초월하였다.
• 양자 과정 허상도는 77(3)%로 측정되어 텔레포테이션 프로토콜의 고신뢰도 작동을 확인하였다.
• 관측된 허상도를 고전적 과정이 달성할 가능성이 2.4×10⁻¹⁴ 이하이므로, 실험의 양자적 성격을 확인하였다.
• 피드포워드 없이도 평균 상태 허상도는 91(3)%였으며, 이는 허상도가 BSM 결과 선택에 의존한다는 것을 시사한다.
• 피드포워드 없이 과정 허상도는 84(4)%였고, 피드포워드를 적용한 경우 77(3)%였으며, 이는 유니터리 보정과 실험적 불완전성의 영향을 반영한다.
• 두 광자 간 간섭의 관측된 시야는 앨리스의 원천에서 평균 광자 수가 펄스당 0.08, 샤를로의 원천에서 0.03이었기 때문에 0.917로 제한되었다.