[论文解读] Overcoming the repeaterless bound in continuous-variable quantum communication without quantum memories

Matthew S. Winnel, Joshua J. Guanzon+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 36被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种连续变量量子中继协议，通过使用单个量子剪刀装置同时执行纠缠浓缩和交换，克服了此前认为无法突破的PLOB极限——此前认为该极限需依赖量子存储才能突破。该方案仅使用线性光学和现有技术，即可实现超越无中继极限的密钥率，并可通过量子存储实现更长链路的可扩展性，且对噪声和非理想性具有鲁棒性。

ABSTRACT

One of the main problems in quantum communications is how to achieve high rates at long distances. Quantum repeaters, i.e., untrusted, intermediate relay stations, are necessary to overcome the repeaterless bound which sets the fundamental rate-distance limit of repeaterless communications. In this work, we introduce a continuous-variable protocol which overcomes the repeaterless bound and scales like the single-repeater bound using just one linear-optical device called a "quantum scissor", combining the entanglement distillation and entanglement swapping elements of previous repeater proposals into a single step, thus, removing the need for quantum memories. Implementing a standard continuous-variable quantum key distribution protocol using our repeater we predict key rates which surpass the repeaterless bound. Our protocol works well for non-ideal single-photon sources and non-ideal single-photon detectors, and can tolerate some level of excess noise, making our protocol implementable with existing technology. We show that our scheme can be extended to longer repeater chains using quantum memories, using less physical resources than previous schemes. Furthermore, for applications beyond key distribution, our scheme generalises to higher order and distils more entanglement at the cost of a reduced probability of success.

研究动机与目标

• 克服连续变量量子通信中的基本PLOB极限，且无需依赖量子存储。
• 为连续变量系统开发一种可扩展、资源高效的量子中继架构。
• 证明量子剪刀可通过一步操作统一实现纠缠浓缩与交换，作为容错中继器发挥作用。
• 实现使用非理想组件和额外噪声的实用化、高密钥率量子密钥分发。
• 通过量子存储将协议扩展至多中继链路，同时降低物理资源需求。

提出的方法

• 该协议利用单个量子剪刀装置实现无噪声线性放大和 Fock 态截断，从而在一步操作中同时完成纠缠浓缩与交换。
• 通过两模式压缩态生成纠缠，量子剪刀作为中继器，处理来自相邻链路的输入模式。
• 该方案无需量子存储，通过将浓缩与交换合并为单一操作，避免了态存储的需求。
• 在集体攻击下计算密钥率，采用相干态和外差检测，假设Eve控制所有光源和探测器。
• 对于更长链路，量子存储器用于存储被召唤的态，通过在分层结构中增加额外的量子剪刀执行纠缠交换。
• 成功概率通过函数 $ Z_n(P) $ 建模，该函数考虑了在概率性步骤中成功操作所需的平均尝试次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在连续变量量子通信中，是否可以在不使用量子存储的情况下突破PLOB极限？
• RQ2 单个量子剪刀装置是否能够同时执行纠缠浓缩与交换，从而实现更简化的中继架构？
• RQ3 在存在非理想光源、探测器和额外噪声等现实条件下的密钥率性能如何？
• RQ4 与以往的量子中继方案相比，该协议在距离和资源效率方面如何扩展？
• RQ5 是否可以利用量子存储将协议扩展至多中继链路，同时降低资源开销？

主要发现

• 该协议实现了超越PLOB极限的密钥率，证明了其在根本上优于无中继通信。
• 该方案在使用非理想单光子光源和探测器时仍能成功运行，并可容忍一定水平的额外噪声，使其可基于现有技术实现。
• 通过使用单个量子剪刀作为中继器，实现了对损耗的容错操作，且无需量子存储，显著简化了架构。
• 在三中继器链路中，该协议的性能与单中继器极限相当，且所需物理资源少于以往方案，在234公里处突破了PLOB极限。
• 在长距离下，最终态的纯度保持较高，而由于中继器的作用，避免了PLOB极限中指数衰减的出现。
• 将协议扩展至更高阶的剪刀装置可实现更多纠缠的浓缩，尽管成功概率有所降低。