[论文解读] Efficient time-bin qubit analyzer compatible with multimode optical channels

Jeongwan Jin, Sascha Agne+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出一种无源、基于中继的时基量子比特分析仪，可在多模光信道中保持空间模式匹配，即使在强烈的模式失真下仍实现89%的干涉可见度。该方案实现了高保真度的时基量子比特测量，并展示了与偏振量子比特的纠缠，证明了在多模链路中实现量子通信的可行性。

ABSTRACT

Time-bin encoded photonic qubits are robust against decoherence in birefringent media such as optical fibers, which has led to many successful quantum communication demonstrations, including a Mach-Zehnder interferometer-based system, plug-and-play quantum key distribution (QKD), differential phase shift (DPS) and coherent one-way (COW) protocols, quantum teleportation, and elements of quantum repeaters. Despite these successes, time-bin encoding is considered impractical for turbulent free-space or multimode fiber channels, because spatial and temporal mode distortions hinder the interference required for analysis of time-bin superposition states. Here we present an efficient time-bin qubit analyzer, assisted by passive relay optics, that matches the spatial mode of the interfering paths. Our system demonstrates interference visibility of 89 %, even for strongly distorted optical input modes emerging from multimode fiber under variable angles of incidence. We measure a high level of entanglement between a time-bin qubit and a separate polarization qubit, thereby demonstrating the feasibility of time-bin based quantum communication over optical multimodal links.

研究动机与目标

• 克服多模光纤和湍流自由空间信道中空间与时间模式失真对时基量子比特干涉性能的负面影响。
• 在传统干涉测量方法因模式失配而失效的多模光链路中，实现实用化的时基量子比特分析。
• 在模式失真环境中，实现高保真度的时基量子比特测量及与偏振量子比特的纠缠。
• 开发一种无源、鲁棒的解决方案，可与现有的量子通信协议（如QKD和量子隐形传态）在多模环境中兼容。

提出的方法

• 采用无源中继光学系统，匹配时基量子比特干涉仪中两条干涉路径的空间模式。
• 采用马赫-曾德尔干涉仪结构并结合时基编码，用于分析叠加态。
• 引入中继系统，以补偿多模光纤在不同入射角下引起的模式失真。
• 保持路径间的相位稳定性和空间重叠，以在输入模式失真条件下仍维持干涉可见度。
• 通过干涉可见度和纠缠保真度等指标对系统进行表征，以验证性能。
• 对时基和偏振量子比特进行联合测量，以确认在信道失真条件下仍保持纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源光学中继系统是否能恢复多模光纤中的空间模式匹配，从而实现高可见度的时基量子比特干涉？
• RQ2 在多模光纤中，输入角度变化导致的强空间模式失真下，系统在多大程度上仍能维持干涉可见度？
• RQ3 当使用所提出的分析仪通过多模信道传输时，时基量子比特与偏振量子比特之间的纠缠是否得以保持？
• RQ4 所提出的分析仪是否可集成到现有的基于时基的量子通信协议（如QKD或量子隐形传态）中，适用于多模环境？

主要发现

• 即使在多模光纤中输入模式因不同入射角而严重失真时，系统仍实现89%的干涉可见度。
• 无源中继光学系统有效补偿了空间模式失真，使多模信道中的稳定干涉成为可能。
• 成功展示了时基量子比特与独立偏振量子比特之间的高保真度纠缠，证实了系统中的量子相干性。
• 该分析仪实现了在多模光链路中实用化的时基量子比特测量，克服了自由空间和多模光纤量子通信中的一个关键限制。