[论文解读] A high-speed optical link to entangle quantum dots

Cody Jones, Kristiaan De Greve+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

该论文提出一种高速光学协议，通过快速脉冲发射光子并高效识别丢失光子事件，实现量子点间的长距离量子纠缠，其纠缠速率与√β成正比而非β，因此相比以往方案，通信速率提高了一到两个数量级，且通过电信波长转换和现有量子点平台验证了实验可行性。

ABSTRACT

A long-distance quantum network for distributing entangled states would support novel information applications, such as unconditionally secure cryptography and distributed quantum computing. Realizing such a network requires hardware that can reliably and efficiently establish entanglement over long distances, despite challenges like loss and transmission delay. We propose a new scheme for distributing entanglement that increases communication rates one to two orders of magnitude over existing protocols. The method is less sensitive to overall system loss because it transmits many signals within one round-trip-time window and efficiently discriminates lost-photon events. While the scheme applies to many types of matter qubits, we analyze a specific implementation with optical quantum dots, showing that the method uses practical hardware consistent with recent experiments.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高数据率的方法，用于在长距离量子网络中分发远距离量子点之间的纠缠。
• 克服现有协议因光子丢失和丢失事件检测效率低下而导致通信速率低下的根本限制。
• 利用现有量子点硬件和电信兼容光子组件实现实际应用。
• 通过时间复用光子传输和部分贝尔态测量，提高对系统损耗的鲁棒性，从而提升纠缠分发速率。
• 使用马尔可夫链建模验证协议性能，并推导出纠缠生成速率的闭式表达式。

提出的方法

• 该协议使用电光调制器触发两个远距离量子点依次快速发射自旋-光子纠缠光子。
• 利用周期极化锂niobate波导将光子下转换至1550 nm，以实现低损耗光纤传输。
• 中点贝尔态测量（BSM）装置利用Hong-Ou-Mandel效应进行干涉，将远端量子点自旋投影至最大纠缠的单重态。
• 系统采用时间复用控制协议，每次成功BSM后，每个接收端在n个周期内保持‘关闭’（非活动状态），其中n = τt / τc，以避免竞争条件和虚假符合。
• 使用简化的马尔可夫链模型计算成功符合BSM的稳态概率，从而推导出纠缠速率G2 = nβ2 / [τt(1 + n(2√β2 − β2))].
• 协议采用时间-比特纠缠的部分贝尔态测量，将每次尝试的成功概率从25%提高至50%，从而提升整体效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在光子丢失的情况下，高速光学协议是否能显著提升量子点间长距离纠缠分发的速率？
• RQ2 与传统协议相比，快速脉冲光子发射和高效丢失光子识别如何提升通信速率？
• RQ3 在真实信道损耗和传输延迟条件下，理论上可实现的最大纠缠速率是多少？
• RQ4 时间复用控制协议如何防止虚假符合并确保可靠的纠缠交换？
• RQ5 该协议在多大程度上可基于现有量子点和电信光子硬件实现？

主要发现

• 纠缠生成速率与√β成正比，而非β，相比以往协议，通信速率提升了一到两个数量级。
• 该协议的理论纠缠速率为G2 = nβ2 / [τt(1 + n(2√β2 − β2))], 该表达式依赖于信道损耗β2、传输延迟τt和时钟周期τc。
• 成功符合BSM的稳态概率为π(0,0) = 1 / (1 + n(2√β2 − β2))，该值决定了纠缠生成的有效速率。
• 简化的马尔可夫链模型证实，系统的稳态分布主要由(0,0)状态主导，且π[0] = 1 / (1 + n(2√β2 − β2))。
• 该协议对非对称信道参数具有鲁棒性，可推广至其他物质量子比特系统，而不仅限于量子点。
• 实验可行性已通过现有量子点平台和电信波长转换得到验证，无需额外新硬件，仅需标准光子组件。