[论文解读] Comment on Quantum teleportation and information splitting via four-qubit cluster state and a Bell state

Meiling Zhang, Sha Shi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文批判了Ramírez等人在2017年提出的利用四量子比特簇态和贝尔态的量子隐形传态协议，指出该协议在未复制原始态的情况下无法实现可重复的隐形传态。作者提出了一种改进协议，采用幺正操作与Z基测量，确保若隐形传态失败，原始态仍保留在发送方手中，从而可通过使用新的纠缠通道实现多次尝试，成功概率随尝试次数增加而趋近于1。

ABSTRACT

We study the quantum controlled and probabilistic teleportation protocol via a four-cluster state (Front. Phys. (2017) 12: 120306). The protocol cannot achieve the goal that if the teleportation fails, it can be repeated without copies of the teleported state. And the reason is that all the information of the teleported state shifts to the receiver's particle after Bell measurement and the information cannot shift back to the sender without other entangled states. To realize the claimed goal, a new quantum controlled and probabilistic teleportation protocol using the same four-cluster state is presented. Because no information of the teleported stated is lost during the whole teleportation process, the teleportation process can be repeated until the teleportation success.

研究动机与目标

• 识别Ramírez等人2017年协议中的根本缺陷，该缺陷导致无法在不复制原始态的情况下实现重复隐形传态。
• 解决所有关于被隐形传态态的信息在贝尔测量后不可逆地转移至接收方的问题。
• 设计一种新的受控且概率性的隐形传态协议，确保在失败时原始态保留在发送方手中，从而支持重复尝试。
• 通过分析与仿真证明，成功概率随尝试次数增加而趋近于1。

提出的方法

• 用发送方的量子比特上的一系列幺正操作与Z基测量替代贝尔测量，以保留原始态信息。
• 使用辅助量子比特与POVMs概率性验证隐形传态是否成功，同时在失败时保持原始态完整。
• 根据测量结果条件性地应用泡利算符（σX, σZ）以在成功时纠正接收方的态。
• 将隐形传态过程建模为成功概率为p = 2(|α|² + |β|²)的几何分布，支持使用新纠缠通道的重复尝试。
• 通过仿真总成功概率Pr(X ≤ N) = 1 − (1 − p)^N关于p与N的函数，评估可扩展性与收敛性。
• 分析每步测量后的态演化，表明当辅助量子比特坍缩为|1⟩时，原始态仍保留在发送方手中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受控、概率性隐形传态方案中，失败的隐形传态尝试后，原始量子态是否能保留在发送方手中？
• RQ2 用Z基测量与幺正操作替代贝尔测量，是否能实现无需复制原始态的可重复隐形传态？
• RQ3 所提出协议的成功概率是多少？其随重复尝试次数如何变化？
• RQ4 通过增加尝试次数或提高单次尝试的成功概率，该协议能否实现近乎确定性的隐形传态？

主要发现

• Ramírez等人原始协议无法在不复制态的情况下实现重复隐形传态，因为贝尔测量后所有信息均被转移至接收方。
• 所提出的协议确保若隐形传态失败，原始态仍保留在发送方手中，从而可使用新的纠缠通道进行重复尝试。
• 随着尝试次数N增加，未知态隐形传态的成功概率趋近于1，尤其当N ≥ 50时表现显著。
• 当单次尝试成功概率p提高时，成功概率也显著提升，当p ≥ 0.3时接近1。
• 总成功概率建模为Pr(X ≤ N) = 1 − (1 − p)^N，表明当N或p较大时，收敛速度极快。
• 协议在整个过程中保持信息完整性，失败时发送方仍持有原始态，从而实现可靠且可重复的隐形传态。