[论文解读] Nonlocal memory assisted entanglement distribution in optical fibers

Guo‐Yong Xiang, Zhibo Hou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 12

一句话总结

该论文通过实验展示了，偏振纠缠光子对中光子频率的相关性可诱导非局域记忆效应，显著增强保偏光纤中的纠缠态分发。通过调节泵浦激光器的光谱带宽以增强频率反相关性，作者实现了在保持纠缠态方面光纤长度提升12倍，优于无需额外硬件的常规局域噪声通道。

ABSTRACT

Successful implementation of several quantum information and communication protocols require distributing entangled pairs of quantum bits in reliable manner. While there exists a substantial amount of recent theoretical and experimental activities dealing with non-Markovian quantum dynamics, experimental application and verification of the usefulness of memory-effects for quantum information tasks is still missing. We combine these two aspects and show experimentally that a recently introduced concept of nonlocal memory effects allows to protect and distribute polarization entangled pairs of photons in efficient manner within polarization-maintaining (PM) optical fibers. The introduced scheme is based on correlating the environments, i.e. frequencies of the polarization entangled photons, before their physical distribution. When comparing to the case without nonlocal memory effects, we demonstrate at least 12-fold improvement in the channel, or fiber length, for preserving the highly-entangled initial polarization states of photons against dephasing.

研究动机与目标

• 解决在环境退相干噪声影响下保持光纤中偏振纠缠态的挑战。
• 克服局域噪声通道在光纤传输过程中退化纠缠态的局限性。
• 通过实验展示，源于光子频率环境初始关联的非局域记忆效应可保护纠缠态。
• 证明该保护机制可在不依赖额外组件或后处理的情况下实现，仅通过预分发阶段对泵浦源的控制即可达成。
• 建立一种实用且可扩展的方法，利用现有光纤基础设施在量子网络中实现远距离纠缠分发。

提出的方法

• 利用可调谐窄带泵浦激光器通过自发参量下转换产生偏振纠缠光子对。
• 控制泵浦激光器的光谱带宽，以设计纠缠光子之间的初始频率反相关性。
• 将每对光子分别通过独立的保偏（PM）光纤，模拟具有相关环境噪声的非局域通道。
• 利用相关环境的非马尔可夫特性抑制退相干，使系统有效表现为封闭系统。
• 通过量子态层析技术测量不同光纤长度传输后输出态的保真度与纠缠度。
• 比较三种通道类型：局域（LOC）、中等非局域（NL1）和高度非局域（NL2），依据泵浦带宽与频率相关强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 源于纠缠光子初始频率关联的非局域记忆效应是否可在光纤传输过程中保护偏振纠缠态？
• RQ2 增强纠缠光子之间的频率反相关程度在多大程度上可延长纠缠态的保持距离？
• RQ3 在保真度与纠缠态保持方面，非局域通道与局域通道相比表现如何？
• RQ4 该纠缠态保护是否可在不增加额外硬件或后处理的情况下实现，仅依赖于对泵浦源的预分发控制？
• RQ5 通过非局域记忆效应，纠缠态分发的光纤长度最大可提升多少倍？

主要发现

• 在窄带泵浦激光器诱导强频率反相关性下实现的高度非局域通道（NL2），在100米光纤传输后仍保持初始纠缠保真度为0.979 ± 0.003。
• NL2通道的纠缠态保持增强因子R达到12，表明其有效光纤长度相比局域通道（LOC）提升了12倍。
• NL2通道的CHSH值测量结果为2.66 ± 0.04，证实了非经典关联的存在以及传输后纠缠态的鲁棒性。
• 即使在中等泵浦带宽（NL1）条件下，增强因子仍达2，表明尽管频率关联较弱，但相比局域通道已有可测量的性能提升。
• 在NL2情况下，初始偏振纠缠态保真度保持较高（与贝尔态保真度为0.990 ± 0.005），表明该方法能有效保持初始量子态的质量。
• 该方案在态制备后无需额外组件，仅依赖对泵浦激光器的光谱整形，因此与现有量子通信系统完全兼容。