[论文解读] Multi-system entanglement swapping for Bell states and Greenberger-Horne-Zeilinger states

Zhaoxu Ji, Peiru Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 36被引用 4

一句话总结

本文提出了一种广义的多系统Bell态与一类新型多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态的纠缠交换协议，实现了任意数量量子比特系统间的纠缠交换。核心贡献是一种能够生成两个相同GHZ态的方案，适用于量子密钥分发、秘密共享和私有比较等应用。

ABSTRACT

We introduce a class of multi-particle Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states, and study entanglement swapping between two qubit systems for Bell states and for the class of GHZ states, respectively. We generalize the bi-system entanglement swapping of Bell states and multi-particle GHZ states to any number of qubit systems. We further study the entanglement swapping schemes between any number of Bell states and between any number of the introduced GHZ states in a detailed way, and propose the schemes that can generate two identical GHZ states. We illustrate the applications of such schemes in quantum information processing by proposing quantum protocols for quantum key distribution, quantum secret sharing and quantum private comparison.

研究动机与目标

• 将双系统纠缠交换推广至任意数量的量子比特系统，适用于Bell态和一类新型多粒子GHZ态。
• 为任意数量的Bell态之间以及所引入的GHZ态之间，开发广义的纠缠交换协议。
• 设计一种通过纠缠交换生成两个相同GHZ态的方案，提升量子网络中的资源利用效率。
• 展示所提方案在量子信息处理任务中的实际应用，如量子密钥分发、秘密共享和私有比较。

提出的方法

• 引入一类适用于多系统纠缠交换的新型多粒子GHZ态。
• 利用量子测量和幺正操作，将标准的双参与者Bell态交换推广至任意数量的量子比特系统。
• 采用联合Bell态测量和受控幺正操作，在多个系统间实现纠缠交换。
• 设计一种协议，成功测量后可从初始的纠缠态对中生成两个相同的GHZ态。
• 利用类似量子隐形传态的步骤，将纠缠在多个网络节点间重新分配。
• 将广义交换框架应用于构建量子密钥分发、秘密共享和私有比较的协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将Bell态的纠缠交换从双系统推广至任意数量的量子比特系统？
• RQ2 一类新型多粒子GHZ态的结构与作用在实现可扩展纠缠交换中起到何种角色？
• RQ3 能否通过纠缠交换从初始的纠缠态对中同时生成两个相同的GHZ态？
• RQ4 所提出的交换方案如何应用于实现实际的量子信息协议？
• RQ5 实现多个系统间确定性纠缠交换所需的测量与操作序列是什么？

主要发现

• 本文成功将Bell态的纠缠交换推广至任意数量的量子比特系统，实现了可扩展的纠缠分发。
• 引入了一类新型多粒子GHZ态，支持在多个系统间实现广义纠缠交换。
• 所提方案通过一次纠缠交换操作，实现了两个相同GHZ态的确定性生成。
• 该框架支持利用生成的纠缠态构建量子密钥分发、秘密共享和私有比较等量子协议。
• 所提方案在标准量子操作（包括Bell态测量和受控幺正门）下具有可行性。
• 结果表明，多系统纠缠交换可被系统性地实现，为未来大规模量子网络提供支持。