[论文解读] Efficient hyperentanglement purification for two-photon six-qubit quantum systems

Guan-Yu Wang, Qian Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

本文提出了一种两步法超纠缠纯化协议（hyper-EPP），用于在三个自由度——极化、以及两个纵向动量模式——上的两光子六量子比特超纠缠态。通过使用量子非破坏性测量的奇偶校验与SWAP门，该方案能高效纠正比特翻转错误，利用当前光学微腔中的氮空位中心技术，实现长距离、高容量的量子通信。

ABSTRACT

Recently, two-photon six-qubit hyperentanged states were produced in experiment and they can improve the channel capacity of quantum communication largely. Here we present the first scheme for the hyperentanglement purification of nonlocal two-photon systems in three degrees of freedom (DOFs), including the polarization, the first longitudinal momentum, and the second longitudinal momentum DOFs. Our hyper-EPP is constructed with two steps resorting to parity-check quantum nondemolition measurement on the three DOFs and SWAP gates, respectively. With these two steps, the bit-flip errors in the three DOFs can be corrected efficiently. Using SWAP gates is a universal method for hyper-EPP in the polarization DOF and multiple longitudinal momentum DOFs. The implementation of our hyper-EPP is assisted by nitrogen-vacancy centers in optical microcavities, which could be achieved with current techniques. It is useful for long-distance high-capacity quantum communication with two-photon six-qubit hyperentanglement.

研究动机与目标

• 为解决在使用两光子六量子比特超纠缠态进行高容量量子通信时的退相干问题。
• 开发一种实用的纯化协议，可在三个自由度（极化与两个纵向动量模式）上纠正比特翻转错误。
• 设计一种可扩展且可实现的方案，利用当前光子技术，特别是光学微腔中的氮空位中心。
• 通过保持并增强超纠缠态的保真度，实现长距离、高容量的量子通信。

提出的方法

• 该协议采用两步流程：首先，应用奇偶校验量子非破坏性测量，以检测并纠正三个自由度中的比特翻转错误。
• 其次，使用SWAP门在不同模式之间转移量子比特态，实现在极化与多个纵向动量自由度之间的通用校正。
• 该方案利用光学微腔中的氮空位中心作为实现所需量子操作的物理平台。
• 奇偶测量与SWAP门的结合，可在不坍缩纠缠态的情况下实现高效错误校正。
• 该协议设计为可扩展，并与现有光子量子信息处理实验技术兼容。
• 该方法确保在保持三个自由度上完整六量子比特纠缠结构的同时完成超纠缠纯化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在两光子六量子比特超纠缠态中，同时纠正极化与两个纵向动量模式的比特翻转错误？
• RQ2 能否使用SWAP门构建一个适用于极化与多个纵向动量自由度的通用纯化协议？
• RQ3 利用光学微腔中的氮空位中心，当前技术是否可行实现超纠缠纯化协议？
• RQ4 所提出的两步方案在效率与保真度方面相较于现有超纠缠态纯化方法有何优势？
• RQ5 该协议能否在长距离下维持高保真度的超纠缠，从而实现高容量量子通信？

主要发现

• 所提出的超-EPP能够同时纠正所有三个自由度（极化与两个纵向动量模式）中的比特翻转错误。
• SWAP门的使用实现了在不同自由度（包括极化与多个动量模式）之间通用的超纠缠纯化方法。
• 该协议可通过当前实验技术实现，特别是以光学微腔中的氮空位中心作为物理实现平台。
• 两步结构结合奇偶校验测量与SWAP门，可在不引起态坍缩的情况下实现高保真度纯化。
• 该方案通过保持两光子六量子比特超纠缠的完整性，支持长距离、高容量的量子通信。
• 该方法具有可扩展性，并与现有光子量子技术兼容，适用于实际量子网络。