[论文解读] Enhancing Continuous Variable Quantum Teleportation using Non-Gaussian Resources

Eduardo Villaseñor, Robert Malaney|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 6

一句话总结

本文提出使用经过优化的连续光子叠加与减法（PA-PS）操作来制备非高斯资源态，显著提升在噪声信道中连续变量量子隐形传态的保真度。与传统的高斯两模压缩真空态相比，该方法在光纤链路中将最大可行隐形传态距离提升高达40%，在卫星-地面链路中提升超过70%，尤其在高损耗条件下性能显著改善。

ABSTRACT

Continuous Variable (CV) non-Gaussian resources are fundamental in the realization of quantum error correction for CV-based quantum communications and CV-based computing. In this work, we investigate the use of CV non-Gaussian states as quantum teleportation resource states in the context of the transmission of coherent and squeezed states through noisy channels. We consider an array of different non-Gaussian resource states, and compute the fidelity of state teleportation achieved for each resource. Our results show that the use of non-Gaussian states presents a significant advantage compared to the traditional resource adopted for CV teleportation; the Gaussian two-mode squeezed vacuum state. In fiber-based quantum communications, the range of quantum teleportation is increased by approximately 40% via the use of certain non-Gaussian states. In satellite-to-ground quantum communications, for aperture configurations consistent with the Micius satellite, the viable range of quantum teleportation is increased from 700 km to over 1200 km. These results represent a significant increase in the performance of pragmatic and realizable quantum communications in both terrestrial and space-based networks.

研究动机与目标

• 研究各类非高斯资源态在噪声信道中提升连续变量（CV）量子隐形传态性能的潜力。
• 通过全面优化PA-PS操作参数，解决现有研究的局限性，而此前研究尚未完成此类优化。
• 比较使用非高斯资源（如PA-PS、PS、PA、PC、QS、SB）与标准高斯两模压缩真空（TMSV）态时，相干态与压缩态的隐形传态保真度。
• 评估这些非高斯态在真实世界陆地（光纤）与空间基（卫星-地面）量子通信网络中的实际可行性。
• 量化在真实损耗与附加噪声条件下，非高斯态对隐形传态距离与保真度鲁棒性的提升效果。

提出的方法

• 本研究采用Wigner特征函数形式化方法建模隐形传态过程，并计算相干态与压缩态的保真度。
• 通过连续光子添加（PA）与减法（PS）操作生成非高斯资源态，并对压缩参数r与增益g=1/η进行优化，以最大化保真度。
• 分析包含五类非高斯态：光子减除（PS）、光子添加（PA）、光子催化（PC）、量子剪裁（QS）及压缩贝尔类（SB）态。
• 采用真实信道模型：光纤链路中使用线性附加噪声模型ϵ_fiber = aL + 6×10⁻⁴，其中a=5.3×10⁻⁵ km⁻¹；卫星-地面链路中，透射率与附加噪声依赖于孔径尺寸（rsat=15 cm，rgs=50 cm），在500 km处平均透射率T≈0.06，在1460 km处T≈0.002。
• 保真度作为信道长度L的函数进行计算，经典极限设为2/3，报告保真度超过该极限的最大距离。
• 在两种信道类型中，将优化后的PA-PS态性能与所有其他非高斯态及TMSV态进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 经过优化的连续PA-PS操作能否生成非高斯资源态，使其在连续变量量子隐形传态保真度上超越标准高斯TMSV态？
• RQ2 在真实光纤与卫星-地面信道条件下，使用不同非高斯资源态时，相干态与压缩态的隐形传态保真度如何变化？
• RQ3 使用非高斯资源时，隐形传态保真度超过经典极限的最大距离相较于TMSV态提升了多少？
• RQ4 对PA-PS操作的参数进行优化，如何影响高损耗环境下连续变量隐形传态的鲁棒性与传输范围？
• RQ5 非高斯态在多大程度上提升了陆地与空间基量子网络中实际连续变量隐形传态的可行性？

主要发现

• 在光纤链路中，优化后的PA-PS态将相干态的最大隐形传态距离从使用TMSV时的100 km提升至140 km，提升40%。
• 在光纤链路中，对于压缩态，保真度超过经典极限的最大距离从TMSV的38 km提升至PA-PS的65 km，提升71%。
• 在卫星-地面链路中，PA-PS态将可行隐形传态范围从TMSV的700 km扩展至1200 km以上，提升超过80%。
• SB态在低损耗区域达到最高保真度，但在典型长距离量子通信的高损耗环境中，PA-PS态优于所有其他态。
• 若不进行参数优化，PA-PS态在光纤链路中无法超过92 km，在卫星链路中无法超过610 km，表明优化对性能提升至关重要。
• 在所有考虑的距离范围内，所有非高斯资源态对压缩态的隐形传态保真度均低于经典极限，表明当前非高斯资源在该输入态下的性能存在局限。