[论文解读] Experimental control of remote spatial indistinguishability of photons to realize entanglement and teleportation

Kai Sun, Yan Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 56被引用 6

一句话总结

该实验首次实现了对远程空间不可区分性的直接控制，将其作为可调制的量子资源，从而实现了偏振纠缠的制备与高保真度量子隐形传态。通过在远距离处利用空间局域操作调节空间波函数重叠，纠缠度由熵测度 $\mathcal{I}$ 精确调控，实现了超过经典阈值（79.4% ± 1.6%）的隐形传态保真度。

ABSTRACT

Remote spatial indistinguishability of identical subsystems as a direct controllable quantum resource at distant sites has not been yet experimentally proven. We design a setup capable to tune the spatial indistinguishability of two photons by independently adjusting their spatial distribution in two distant regions, which leads to polarization entanglement starting from uncorrelated photons. The amount of entanglement uniquely depends on the degree of remote spatial indistinguishability, quantified by an entropic measure $\mathcal{I}$, which enables teleportation with fidelities above the classical threshold. This experiment realizes a basic nonlocal entangling gate by the inherent nature of identical quantum subsystems.

研究动机与目标

• 实验演示远程空间不可区分性可作为直接量子资源进行调控。
• 建立远程空间不可区分性程度与生成纠缠之间的关联，通过熵测度 $\mathcal{I}$ 进行量化。
• 利用全同粒子的固有不可区分性实现非局域纠缠门，无需直接粒子相互作用。
• 验证空间局域操作与经典通信（sLOCC）框架在全同粒子量子信息处理中的可行性，即使粒子局域性无法定义。
• 利用受控的不可区分性作为资源，实现高保真度量子隐形传态，保真度超过经典极限。

提出的方法

• 构建一个包含两个远距离操作区域（L 和 R）的实验装置，光子在空间上分离，但其波包可通过光纤耦合器和波前整形技术独立调节。
• 使用单模光纤连接的单光子探测器测量贝尔基下的偏振态，以实现量子隐形传态协议。
• 采用空间局域操作（sLOCC）框架，即在空间上局部进行测量而非针对单个粒子，以保持不可区分性的非局域本质。
• 采用熵信息测度 $\mathcal{I}$ 量化远程空间不可区分性的程度，该测度直接决定纠缠含量。
• 通过四光子符合测量验证不同路径光子之间的时序重叠与干涉可见度，利用半波片（HWPs）投影至贝尔态。
• 通过态层析技术重建量子过程矩阵 $\chi$，以量化隐形传态保真度，比较制备态与传送态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在实验中将全同光子的远程空间不可区分性作为可调量子资源进行控制？
• RQ2 以 $\mathcal{I}$ 量化远程空间不可区分性程度，其对纠缠和隐形传态保真度有何影响？
• RQ3 能否仅通过全同粒子的不可区分性实现非局域纠缠门，而无需直接相互作用？
• RQ4 当粒子局域性无法定义时，sLOCC框架是否能实现全同粒子的可靠量子信息处理？
• RQ5 以空间不可区分性为主要纠缠资源，所能实现的最高隐形传态保真度是多少？

主要发现

• 通过空间波函数控制，实验上调节了远程空间不可区分性程度，熵测度 $\mathcal{I}$ 作为关键控制参数。
• 成功从初始无关联的光子中生成了偏振纠缠，纠缠强度与 $\mathcal{I}$ 呈直接正比关系。
• 实现了87.9%的四光子干涉可见度，证实了来自远距离源的光子具有高度的时间与空间重叠。
• 实验测得的量子隐形传态保真度为（79.4 ± 1.6）%，超过66.7%的经典阈值，验证了协议的成功。
• 重建的量子过程矩阵 $\chi$ 显示主导的 $\chi_{11}$ 分量（理想值为1），证实了高保真度态传输。
• 当光子路径在探测时被分离，系统退化为最大混合态且无纠缠，证实不可区分性是纠缠生成的关键。