[論文レビュー] Topical White Paper: A Case for Quantum Memories in Space

Mustafa Gündoğan, Thomas Jennewein+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Distributed systems and fault tolerance被引用数 11

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、地上の制限を超えて真正にグローバルな量子ネットワーキングを実現するため、宇宙に量子メモリ（QMs）を導入することを提唱している。地球〜月間リンクなどの長距離でも、もつれ光子を貀장・同期することで、決定論的テレポーテーションや長基線ベルテストを可能にする。実験室での性能は70％以上の効率と200 ms以上の貯蔵時間を達成しており、すでに実現可能である。

ABSTRACT

It has recently been theoretically shown that Quantum Memories (QM) could enable truly global quantum networking when deployed in space thereby surpassing the limited range of land-based quantum repeaters. Furthermore, QM in space could enable novel protocols and long-range entanglement and teleportation applications suitable for Deep-Space links and extended scenarios for fundamental physics tests. In this white paper we will make the case for the importance of deploying QMs to space, and also discuss the major technical milestones and development stages that will need to be considered.

研究の動機と目的

• 宇宙に量子メモリを導入する科学的・技術的根拠を確立すること。
• 長距離量子通信における地上ベースの量子中継器やファイバー基盤の遅延ラインの限界を解消すること。
• 決定論的テレポーテーションや長基線ベルテストといった新しい量子プロトコルを、空間的分離を実現することで可能にすること。
• 運用可能な宇宙ベースの量子メモリに必要な主要な技術的マイルストーンを特定すること。
• 深宇宙およびグローバル量子ネットワーク向けの将来の量子インfraストラクチャの開発を支援すること。

提案手法

• 惑星間距離にわたるエンタングルド光子状態を貯蔵・同期するため、量子メモリを活用することを提唱する。
• 高い忠実度のエンタングルド光子源とエンタングルメントスワッピングを活用し、地上の限界を超えた量子ネットワークの範囲を拡大する。
• ローカリティと選択自由の曇りを解消するための調整可能な時間遅延（最大数秒）を提供するために、量子メモリを活用する。
• 宇宙への導入にあたり、忠実度（>95％）、効率（>70％）、貯蔵時間（>200 ms）といったパフォーマンス指標を、主要なベンチマークとして分析する。
• 1 msを超える遅延に際しては損失が著しくなるファイバー基盤の遅延ラインと比較し、長距離応用において量子メモリが優れていることを示す。
• 人工衛星を用いた量子ネットワークにQMsを統合するモデルを構築し、グローバルスケールのもつれ配布とテレポーテーションを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙に配置された量子メモリは、地上ベースの中継器の範囲を超えて真正にグローバルな量子ネットワークを実現できるか？
• RQ2 地球〜月間距離での決定論的テレポーテーションを実現するため、量子メモリに求められる性能閾値（忠実度、効率、貯蔵時間）は何か？
• RQ3 空間基盤を用いた場合、量子メモリは長基線ベルテストにおけるローカリティの曇りと選択自由の曇りをどのように解消できるか？
• RQ4 宇宙に量子メモリを導入するにあたり、主な技術的課題と開発のマイルストーンは何か？
• RQ5 深宇宙量子リンクにおいて、ファイバー基盤の遅延ラインと比較して、宇宙ベースの量子メモリは損失とスケーラビリティの点でどのように優れているか？

主な発見

• 70％以上の効率と約200 msの貯蔵時間を有する量子メモリは、すでに実験室で実証済みであり、宇宙用途の要件を満たしている。
• 1 msを超える遅延に際しては、ファイバー基盤の遅延ラインの損失が5600 dBを超えるため、長距離量子実験には実用的ではない。
• 宇宙ベースの量子メモリにより、地球〜月間距離（片道1.3秒）での決定論的テレポーテーションが可能となり、事後選択の必要がなくなる。
• 量子メモリにより、長基線ベルテストにおける調整可能な時間遅延が可能となり、空間的分離測定におけるローカリティの曇りを解消する上で不可欠である。
• 低地球軌道（LEO）衛星にQMsを導入することで、大陸間および惑星間距離にわたるもつれスワッピングが可能になる。
• 量子メモリの量子ネットワークへの統合により、重力誘発状態還元を含む、量子重力や基礎物理学の新しい検証が可能になる。