[论文解读] Experimental multi-level quantum teleportation

Xiao‐Min Hu, Chao Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

该论文通过利用路径模式自由度和辅助纠缠光子，使用六光子系统实现了多层级光子态的确定性三维量子隐形传态，成功完成了三维贝尔态测量。实验实现了超过0.630的隐形传态保真度，超越了0.5的经典极限，实现了高维希尔伯特空间中复杂量子态的远程重建。

ABSTRACT

Quantum teleportation provides a way to transmit unknown quantum states from one location to another via previously shared quantum entanglement and classical communications. Discrete variable states and continuous variable states in one degree of freedom have been transported. Recent work has also demonstrated the capability of teleporting multiple degrees of freedom of a single photon [13]. These advances enable the quantum teleportation technique to transport the states of quantum systems reliably. However, in the quantum world, multi-level systems such as the single atom of quantized energy and the single photon of orbital angular momentum are more prevalent. Therefore, to completely rebuild the quantum states of a single particle remotely, one needs to teleport multi-level states. However, performing a deterministic multi-level Bell state measurement, a key step in quantum teleportation, remains a challenge. Here, we demonstrate the teleportation of multi-level states of a single photon in a three-dimensional six-photon system. We exploit the path mode of a single photon as the multilevel system, use two auxiliary entangled photons to realize a deterministic three-dimensional Bell state measurement. Therefore we can teleport three-level states to another photon assisted by pre-shared entangled two-photon three-level states and classical communications. The teleportation fidelities are all above 0.630, and obviously exceed the classical limit 0.5. Our work paves the way to rebuild complex quantum systems remotely and to construct complex quantum networks.

研究动机与目标

• 在更高维希尔伯特空间中实现单光子三维态的确定性多层级量子隐形传态。
• 克服在高维量子隐形传态中执行确定性多层级贝尔态测量的挑战，这是该领域的一个关键瓶颈。
• 通过预共享纠缠和经典通信，实现对复杂量子系统的远程态重建。
• 证明在三维系统中高保真度隐形传态是可行的，为可扩展量子网络铺平道路。

提出的方法

• 多层级系统通过单光子的路径自由度进行编码，从而实现三值（类似三量子比特）的量子态。
• 使用两个辅助纠缠光子实现确定性的三维贝尔态测量，替代了概率性测量方案。
• 预共享的两光子三值纠缠态作为隐形传态的量子信道，实现远距离双方之间的态传输。
• 利用经典通信传递测量结果，使接收方能够应用适当的幺正修正以重建被传送的态。
• 该协议通过六光子实验装置实现，采用线性光学元件和单光子探测器测量贝尔态并验证隐形传态保真度。
• 通过量子态层析技术将传送态与理想目标态进行比较，评估保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在光子路径模式中实验实现确定性的高维量子隐形传态？
• RQ2 能否利用辅助纠缠光子实现确定性的三维贝尔态测量？
• RQ3 在光子系统中，三值量子态的隐形传态可实现的保真度是多少？
• RQ4 在三维系统中，隐形传态保真度是否能超过0.5的经典极限？
• RQ5 辅助纠缠的使用如何提升多层级量子隐形传态的可靠性和可扩展性？

主要发现

• 实验成功演示了在光子系统中通过路径模式编码实现三值量子态的确定性隐形传态。
• 通过使用两个辅助纠缠光子，实现了确定性的三维贝尔态测量。
• 所有测得的隐形传态保真度均超过0.630，显著超越0.5的经典极限。
• 高保真度证实了利用预共享纠缠和经典通信可实现复杂量子态在距离上的可靠传输。
• 结果验证了远程重建多层级量子系统的可行性，这是构建可扩展量子网络的关键要求。
• 该协议为高维量子信息处理和量子通信提供了可扩展的框架。