[논문 리뷰] Satellite-Based Entanglement Distribution Over 1200 kilometers

Juan Yin, Yuan Cao외 32명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 05.

Quantum Information and Cryptography인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 저궤도 위성에서의 두 개의 다운링크를 통해 지구상에서 1203 km 거리에 걸쳐 얽힌 광자 쌍을 위성 기반으로 분포시켰으며, 엄격한 국소성 조건 하에서 벨의 부등식 위반을 입증하였다. 실험은 지상 섬유 전송 대비 12개 이상의 주기수 만큼 높은 효과적 링크 효율성을 달성하였으며, 장거리 양자 통신 분야에서의 중대한 도약을 나타낸다.

ABSTRACT

Long-distance entanglement distribution is essential both for foundational tests of quantum physics and scalable quantum networks. Owing to channel loss, however, the previously achieved distance was limited to ~100 km. Here, we demonstrate satellite-based distribution of entangled photon pairs to two locations separated by 1203 km on the Earth, through satellite-to-ground two-downlink with a sum of length varies from 1600 km to 2400 km. We observe a survival of two-photon entanglement and a violation of Bell inequality by 2.37+/-0.09 under strict Einstein locality conditions. The obtained effective link efficiency at 1200 km in this work is over 12 orders of magnitude higher than the direct bidirectional transmission of the two photons through the best commercial telecommunication fibers with a loss of 0.16 dB/km.

연구 동기 및 목표

• 장거리에서 광자 손실으로 인해 제한되는 지상 섬유 기반의 얽힘 분포의 한계를 극복하기 위해.
• 위성을 장거리 상호국경 간 양자 릴레이로 사용할 수 있는지의 타당성을 시험하기 위해.
• 엄격한 아인슈타인 국소성 조건 하에서 1203 km 거리에서 양자 얽힘과 비국소성이 유지되는지 확인하기 위해.
• 기존의 섬유 광학 인프라 대비 효과적 링크 효율성의 상당한 향상을 보여주기 위해.
• 양자역학의 기초적 실험과 글로벌 규모의 양자 네트워크 개발을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 저궤도 위성을 이용해 1203 km 떨어진 두 지상국에 얽힌 광자 쌍을 전송하였다.
• 총 경로 길이가 1600 km에서 2400 km에 이르는 두 개의 위성-지상 다운링크를 활용하여 장거리 분포를 달성하였다.
• 측정 사건 간의 시공간적 분리를 확보하여 엄격한 아인슈타인 국소성 조건을 만족시키기 위해 측정 사건 간의 시공간적 분리를 확보하였다.
• 위성의 비선형 결정에서 자발적 비선형 변환을 통해 극성 얽힌 광자 쌍을 생성하였다.
• 각 지상국에서 독립적으로 선택된 무작위 측정 설정을 사용하여 국소성 틈새를 닫는 벨 부등식 테스트를 수행하였다.
• 정밀한 타이밍과 동기화를 적용하여 측정 사건 간의 시공간적 분리를 확보함으로써 국소성 조건을 충족시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위성을 양자 릴레이로 사용하여 1200 km 거리에 얽힘을 분포시킬 수 있는가?
• RQ2 두 개의 다운링크를 통해 대기 중을 통해 전송될 경우, 이러한 장거리에서 얽힘이 유지되는가?
• RQ3 엄격한 아인슈타인 국소성 조건 하에서 위성 기반 시스템에서 벨 부등식을 위반할 수 있는가?
• RQ4 위성 기반 시스템의 효과적 링크 효율성은 지상 섬유 네트워크와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 우주 기반 플랫폼을 사용하여 광자 손실을 최소화하고 장거리 양자 통신을 구현하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 실험은 1203 km 지상 거리에서 위성 기반의 얽힌 광자 쌍 분포를 성공적으로 구현하여 새로운 기록을 수립하였다.
• 2.37 ± 0.09의 값으로 벨 부등식 위반을 관측하여 엄격한 국소성 조건 하에서 비국소 양자 상관관계를 확인하였다.
• 1203 km 거리에서의 효과적 링크 효율성이 최고의 상업적 통신 섬유(0.16 dB/km 손실) 대비 12개 이상의 주기수 높았다.
• 긴 대기 경로와 높은 배경 노이즈에도 불구하고 이중 광자 얽힘이 유지됨을 확인하였다.
• 측정 사건 간의 시공간적 분리를 확보하여 벨 테스트의 국소성 틈새를 닫았다.
• 저궤도 위성을 이용한 글로벌 규모의 양자 통신과 기초 양자 실험을 위한 실현 가능성은 검증되었다.