[论文解读] Calibration-Independent Certification of a Quantum Frequency Converter

Matthias Böck, Pavel Sekatski+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种校准无关的量子频率转换器认证方法，基于贝尔-CHSH测试，并假设探测损耗与测量设置无关。该方法无需依赖校准的光源或探测器，即可实现对幺正操作的可信验证，实验结果显示平均保真度≥84%，检测效率≥3.1×10⁻⁶，置信水平为99%。

ABSTRACT

We report on a method to certify a unitary operation with the help of source and measurement apparatuses whose calibration throughout the certification process needs not be trusted. As in the device-independent paradigm our certification method relies on a Bell test, but it removes the need for high detection efficiencies by including the single additional assumption that non-detected events are independent of the measurement settings. The relevance of the proposed method is demonstrated experimentally with the certification of a quantum frequency converter. The experiment starts with the heralded creation of a maximally entangled two-qubit state between a single $^{40}$Ca$^+$ ion and a 854$\,$nm photon. Entanglement preserving frequency conversion to the telecom band is then realized with a non-linear waveguide embedded in a Sagnac interferometer. The resulting ion-telecom photon entangled state is characterized by means of a Bell-CHSH test from which the quality of the frequency conversion is quantified. We demonstrate the successful frequency conversion with an average certified fidelity of $\geq 84\,\%$ and an efficiency $\geq 3.1 imes 10^{-6}$ at a confidence level of $99\,\%$. This ensures the suitability of the converter for integration in quantum networks from a trustful characterization procedure.

研究动机与目标

• 开发一种不依赖校准光源或测量装置的量子频率转换器认证方法。
• 在不假设实验设备完美校准的前提下，实现对量子网络中幺正操作的可信表征。
• 通过仅假设无探测事件与测量设置无关，证明在实际探测效率有限条件下实现设备无关认证的可行性。
• 提供一种实用且实验可行的认证方法，以最小假设实现对量子频率转换的高置信度认证。

提出的方法

• 该方法利用离子-电信号光子纠缠态上的贝尔-CHSH测试，对量子频率转换器（QFC）进行认证，且不依赖光源或测量装置的校准。
• 假设非探测事件与测量设置无关，这一物理上合理的条件可避免对高探测效率的需求。
• 认证基于观测相关性的自测试，从而推断出包含QFC和探测装置的等效通道的乔伊态保真度。
• 定义了一个概率提取映射，将观测到的贝尔非局域性与QFC的保真度关联，从而获得通道性能的下限。
• 该协议使用俘获的⁴⁰Ca⁺离子生成与波长为854 nm的光子的 maximally entangled 状态，随后通过萨尼亚克干涉仪中的非线性波导实现偏振保持的频率转换至1550 nm。
• 认证协议的成功概率相对于条件探测概率有界，使得可直接从实验数据中估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不信任光源或测量装置校准的情况下对量子频率转换器进行认证？
• RQ2 在实际探测效率有限的条件下，能否实现对幺正操作的设备无关认证？
• RQ3 在不依赖高探测效率的前提下，认证量子通道所需的最小假设是什么？
• RQ4 如何仅通过观测相关性，以高置信度量化频率转换器的保真度与效率？
• RQ5 当损耗与测量设置不独立时，贝尔-CHSH测试能否用于自测试非理想量子通道？

主要发现

• 实验通过在俘获离子-光子纠缠态上执行贝尔-CHSH测试，实现了对量子频率转换器的校准无关认证。
• 在99%置信水平下，频率转换过程的平均认证保真度≥84%。
• 在成功完成离子态读出的条件下，探测电信号光子的概率≥3.1×10⁻⁶，同样在99%置信水平下。
• 该方法通过仅假设无探测事件与测量设置无关，避免了对高探测效率的需求，实现了认证。
• 认证协议的成功概率被证明至少为条件探测概率的一半，从而可直接从实验数据中估计。
• 结果证实该QFC可通过一种可信且假设最少的认证程序，适用于未来量子网络的集成。