[论文解读] Bell inequality violation with two remote atomic qubits

Dzmitry Matsukevich, Peter Maunz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2008

Quantum Information and Cryptography被引用 8

一句话总结

本论文首次在相距一米的两个远程镱离子之间实现了贝尔不等式的量子反常，通过光子干涉实现的预言性纠缠并关闭了探测漏洞。通过将原子量子比特编码在超精细态，光子量子比特编码在偏振态，实验实现了81%的纠缠保真度，并观测到S = 2.22 ± 0.07，超过经典界限超过三个标准差。

ABSTRACT

We observe violation of a Bell inequality between the quantum states of two remote Yb ions separated by a distance of about one meter with the detection loophole closed. The heralded entanglement of two ions is established via interference and joint detection of two emitted photons, whose polarization is entangled with each ion. The entanglement of remote qubits is also characterized by full quantum state tomography.

研究动机与目标

• 在两个远程原子量子比特之间的贝尔不等式检验中关闭探测漏洞。
• 通过光子链路实现囚禁171Yb+离子之间的长距离纠缠。
• 实现适合无漏洞贝尔检验的高保真度离子-离子纠缠。
• 实现对远程纠缠离子的完整量子态层析，以进行验证。
• 为可扩展的量子网络和安全的量子通信铺平道路。

提出的方法

• 通过369.5 nm激发脉冲将每个171Yb+离子与一个光子纠缠，形成离子态与光子偏振态的叠加。
• 使用波片收集并操控光子，将圆偏振转换为线偏振，以实现联合测量。
• 在光束分离器上使两个光子发生干涉，执行贝尔态测量，从而预言远程离子的纠缠。
• 通过高效率的离子态探测和快速测量，关闭探测漏洞。
• 对离子执行局部旋转和测量，以评估CHSH关联函数E(θa, θb)。
• 应用CHSH不等式：S = |E(θa, θb) + E(θ′a, θb)| + |E(θa, θ′b) − E(θ′a, θ′b)| ≤ 2，以检验局域隐变量理论。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在探测漏洞被关闭的情况下，于两个远程原子量子比特之间实现贝尔不等式的反常？
• RQ2 通过光子预言纠缠生成的离子-离子纠缠态的保真度是多少？
• RQ3 实验装置如何实现对远程纠缠的完整量子态层析？
• RQ4 哪些因素限制了该光子介导的离子纠缠协议中的纠缠保真度？
• RQ5 该协议能否扩展至更远距离，以实现无漏洞贝尔检验？

主要发现

• 实验观测到CHSH参数S = 2.22 ± 0.07，超过经典界限2，超过三个标准差。
• 通过量子态层析测量，离子-离子纠缠保真度为81.3% ± 1.5%，证实了高保真度纠缠。
• 纠缠纯度为0.64 ± 0.03，纠缠形成度为0.52 ± 0.04，表明存在显著的纠缠。
• 探测漏洞已被关闭，因为每个预言性纠缠事件均伴随对离子量子比特的测量。
• 由于优化了激发和光子收集，纠缠生成速率相比以往实验提高了13倍。
• 保真度损失的主要来源为离子探测效率（3%）、磁场波动（2%）和干涉对比度（9 ± 3%）