[論文レビュー] Towards global quantum communication: beam wandering preserves quantumness

Dmytro Vasylyev, А. А. Семенов+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 2

ひとこと要約

本稿は大気中の量子チャネルにおけるビームワンドリングを調査し、標準的な減衰モデルと比較して、もつれやスリーピングといった量子性質をより効果的に維持できることを示している。第一原理からの導出により、著者らはビームワンドリングの透過率分布が、同等の損失を持つチャネルよりも非古典的効果をより良く維持することを示しており、長距離量子通信におけるより正確なモデルを提供する。

ABSTRACT

Tap-proof long-distance quantum communication requires a deep understanding of the strong losses in transmission channels. Here we provide a rigorous treatment of the effects of beam wandering, one of the leading disturbances in atmospheric channels, on the quantum properties of light. From first principles we derive the probability distribution of the beam transmissivity, with the aim to completely characterize the quantum state of light. It turns out that beam wandering may preserve nonclassical effects, such as entanglement, quadrature and photon number squeezing, much better than a standard attenuating channel of the same losses.

研究の動機と目的

• 大気チャネルにおけるビームワンドリングが量子状態伝送に与える影響を理解すること。
• 大気乱流によって影響を受ける光ビームの透過率分布をモデル化すること。
• ビームワンドリングが、同等の減衰チャネルと比較して非古典的量子性質をより効果的に維持するかどうかを評価すること。
• 実用的な量子通信応用を想定した、ビームワンドリングの厳密な量子力学的取り扱いを提供すること。

提案手法

• 統計的光学と量子力学を用いて、第一原理からビーム透過率の確率分布を導出する。
• ビーム位置および強度のランダムな揺らぎとしてビームワンドリングをモデル化し、全体のチャネル透過率に与える影響を評価する。
• 量子状態トモグラフィーの原則を用いて、ビームワンドリング下での出力量子状態を特徴付ける。
• 平均損失が同一である標準的な減衰チャネルと比較して、ビームワンドリング下での量子性質の維持度を評価する。
• 量子光学形式を用いて、もつれ、四分位数スリーピング、光子数スリーピングといった非古典的効果を定量化する。
• 確率的モデリングを用いて、ビームワンドの統計的挙動と量子忠実度への影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームワンドリングは、大気チャネルにおける透過率と光の量子状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 もつれのような非古典的量子性質は、標準的な減衰と比較して、ビームワンドリング下でどの程度生存するか？
• RQ3 平均損失が同一の損失チャネルと比較して、ビームワンドリングは四分位数スリーピングおよび光子数スリーピングをより効果的に維持できるか？
• RQ4 自由空間量子通信におけるビームワンドリングによる透過率の正確な確率分布は何か？
• RQ5 長距離伝送中、ビームワンドリングは量子状態の忠実度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ビームワンドリングは、標準的な減衰モデルとは根本的に異なる非一様な透過率分布を引き起こす。
• もつれやスリーピングのような非古典的効果は、同等の標準的減衰と比較して、ビームワンドリング下でより効果的に維持される。
• ビームワンドリング下での透過率の確率分布は、第一原理から導出されており、出力量子状態の正確な特徴付けを可能にする。
• 四分位数スリーピングおよび光子数スリーピングは、単純な損失モデルの予測よりも、ビームワンドリング下でよりよく生存する。
• 本研究は、ビームワンドリングが従来の仮定よりも量子性質を著しく劣化させないことが明らかになった。これは、量子通信における従来の損失モデリングに挑戦するものである。