[论文解读] All Optical Quantum Teleportation

Timothy C. Ralph|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 1998

Quantum Information and Cryptography被引用 39

一句话总结

本文提出了一种全光、连续变量的量子隐形传态方案，利用光学参量放大器和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）纠缠光束替代电光组件。通过利用高增益参量放大和光束分束网络，该方案在参量增益趋于无穷的极限下实现了近乎完美的态重建（$a_{\text{out}} \to a_{\text{in}}$），从而在无需电子信号处理的情况下实现了高带宽、可逆的量子隐形传态。

ABSTRACT

We propose an all optical, continuous variable, quantum teleportation scheme based on optical parametric amplifiers.

研究动机与目标

• 解决现有量子隐形传态方案中因电光信号处理导致的带宽限制问题。
• 开发一种仅使用光学元件的连续变量量子隐形传态的全全光实现方案。
• 证明量子隐形传态可在无需不可逆电子检测或调制的情况下实现。
• 探索利用宽带参量放大实现多时间模式光场隐形传态的可行性。
• 提供一种基于光束分束器和参量放大器的时间对称、根本可逆的量子隐形传态框架。

提出的方法

• 使用具有高增益（$G \gg 1$）的线性光放大器，将输入量子场转换为类经典场 $a_c = \sqrt{G}a_{\text{in}} + \sqrt{G-1}v_1^\dagger$，从而实现对共轭正交分量的类经典测量。
• 利用50:50光束分束器将放大后的场与EPR纠缠光束 $b_1$ 结合，随后通过引入$\pi$-相位移泵浦的简并参量放大，生成经典信道。
• 通过透射率 $\varepsilon = 1/G$ 的光束分束器实现输出重建，得到 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + \sqrt{(G-1)/G}(v_1^\dagger - v_2)$。
• 将真空输入替换为通过非简并参量放大生成的EPR纠缠光束 $b_1$ 和 $b_2$，满足 $\Delta(X_{b1}^+ - X_{b2}^+)^2 < 1$ 和 $\Delta(X_{b1}^- + X_{b2}^-)^2 < 1$。
• 利用经典与量子隐形传态方案之间的形式等价性，将电子信道替换为全光信号处理，从而实现高带宽运行。
• 证明输出场 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$ 在 $H \to \infty$ 的极限下趋近于 $a_{\text{in}}$，实现完美隐形传态。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子隐形传态是否可完全在光域中实现，而无需对经典信号进行电光转换？
• RQ2 EPR纠缠在实现高保真度全光隐形传态中起到何种作用？
• RQ3 使用具有平坦增益轮廓的参量放大器如何影响被传态态的带宽和模式结构？
• RQ4 通过使用时间对称的光组件，是否可避免传统上与量子测量相关的不可逆性？
• RQ5 当EPR关联强度增强时，全光方案中的态重建保真度如何变化？

主要发现

• 输出场 $a_{\text{out}} \approx a_{\text{in}} + (\sqrt{H} - \sqrt{H-1})(v_1^\dagger - v_2)$ 在参量增益趋于无穷（$H \to \infty$）的极限下趋近于输入态 $a_{\text{in}}$，实现完美隐形传态。
• 该方案在无需电子信号处理的情况下实现了近乎理想的隐形传态保真度，仅依赖于光束分束器和参量放大器等光学元件。
• 经典信道通过高增益光放大（$G \gg 1$）生成，使场呈现类经典特性，从而可对共轭正交分量进行同时测量，量子噪声惩罚可忽略不计。
• 使用EPR纠缠光束 $b_1$ 和 $b_2$ 确保了真空噪声项相关联，从而降低了其对输出态的净影响。
• 该系统在本质上具有时间对称性，不可逆性仅源于对未使用光束（$e$ 和 $f$）的丢弃，而非源于测量或调制过程。
• 该方案在当前技术条件下具备实验可行性，尤其得益于参量放大器的宽增益带宽，使其能够实现多时间模式光脉冲的隐形传态。