[论文解读] The Correlation Conversion Property of Quantum Channels

László Gyöngyösi|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Feb 13, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了量子通道的关联转换（Correlation Conversion, CC）特性，证明了即使无法传输纠缠的噪声量子通道，也能通过经典关联输入生成可提炼的纠缠。通过将通道固有的噪声作为资源——无需非局域操作或测量——该方法利用标准量子通道实现纠缠生成，为远距离量子通信网络提供了一种新颖且资源高效的途径。

ABSTRACT

Transmission of quantum entanglement will play a crucial role in future networks and long-distance quantum communications. Quantum Key Distribution, the working mechanism of quantum repeaters and the various quantum communication protocols are all based on quantum entanglement. On the other hand, quantum entanglement is extremely fragile and sensitive to the noise of the communication channel over which it has been transmitted. To share entanglement between distant points, high fidelity quantum channels are needed. In practice, these communication links are noisy, which makes it impossible or extremely difficult and expensive to distribute entanglement. In this work we first show that quantum entanglement can be generated by a new idea, exploiting the most natural effect of the communication channels: the noise itself of the link. We prove that the noise transformation of quantum channels that are not able to transmit quantum entanglement can be used to generate distillable (useable) entanglement from classically correlated input. We call this new phenomenon the Correlation Conversion property (CC-property) of quantum channels. The proposed solution does not require any non-local operation or local measurement by the parties, only the use of standard quantum channels. Our results have implications and consequences for the future of quantum communications, and for global-scale quantum communication networks. The discovery also revealed that entanglement generation by local operations is possible.

研究动机与目标

• 解决在长距离量子通信中通过噪声量子通道分发纠缠的挑战。
• 探讨量子通道中的噪声——通常被视为有害因素——是否可被重新用作纠缠生成的资源。
• 建立一种无需非局域操作或局部测量即可生成可提炼纠缠的新机制。
• 证明仅通过局部操作与特定通道噪声特性结合，即可生成纠缠。
• 为利用现有通道基础设施构建可扩展的全球规模量子通信网络提供理论基础。

提出的方法

• 研究因噪声而无法传输纠缠的量子通道，重点分析其噪声变换特性。
• 考虑经典关联输入态，并应用通道的噪声变换以生成具有可提炼纠缠的输出态。
• 利用量子信息理论证明，通道的噪声可将经典关联转换为量子纠缠。
• 该方法依赖标准量子通道，无需额外的非局域操作或复杂测量方案。
• 确立CC特性为通道级现象，即噪声结构使从经典输入生成纠缠成为可能。
• 通过通道动力学与纠缠提炼协议的理论分析验证该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 无法传输纠缠的量子通道是否仍可用于生成可提炼纠缠？
• RQ2 是否仅通过局部操作与量子通道的固有噪声即可生成纠缠？
• RQ3 能否通过噪声量子通道的作用将经典关联转换为量子纠缠？
• RQ4 在何种条件下，量子通道的噪声变换可实现关联转换特性？
• RQ5 CC特性如何在无需高保真度通道的情况下实现实用且可扩展的量子通信？

主要发现

• 关联转换（CC）特性可仅通过标准量子通道，从经典关联输入态生成可提炼纠缠。
• 即使通道本身无法直接传输纠缠，其噪声变换也可被利用作为生成纠缠的资源。
• 纠缠生成无需非局域操作或复杂测量程序，仅依赖局部操作与通道噪声。
• CC特性表明，当与特定通道动力学结合时，仅通过局部操作即可实现纠缠生成。
• 理论框架表明，以往被认为不适用的噪声通道可被重新用作量子网络中纠缠生成的工具。
• 结果表明量子通信范式发生转变：在CC特性下，噪声并非总是障碍，而可成为建设性资源。