[论文解读] Quantifying quantum correlation of quasi-Werner state and probing its suitability for quantum teleportation

Arpita Chatterjee, Kishore Thapliyal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 102被引用 6

一句话总结

本文研究了光子叠加如何通过Wigner对数负性、concurrence、纯态形成纠缠和量子discord等方法，增强准Werner态中量子关联与非经典性。结果表明，光子叠加显著提升了相干态和压缩态的量子隐形传态保真度，同时挑战了仅凭负Wigner函数值即可作为量子关联普适见证的论断。

ABSTRACT

The significance of photon addition in engineering the single- and two-mode (bipartite correlations) nonclassical properties of a quantum state is investigated. Specifically, we analyzed the behavior of the Wigner function of two quasi-Werner states theoretically constructed by superposing two normalized bipartite $m$-photon added coherent states. This allowed us to quantify the amount of nonclassicality present in the quantum states using Wigner logarithmic negativity (WLN), while quantum correlations are measured in terms of concurrence, entanglement of formation, and quantum discord. The WLN for a two-mode state corresponds to the sum of the single-mode nonclassicality as well as quantum correlations, and both of these are observed to enhance with photon addition manifesting the efficacy of photon addition in the entanglement distillation. Usefulness of photon addition is further established by showing that the performance of the quasi-Werner states as quantum channel for the teleportation of a single-mode coherent and squeezed states, as quantified via teleportation fidelity, improves with the photon addition. Further, in contrast to a set of existing results, it is established that the negative values of two-mode Wigner function cannot be used in general as a witness of quantum correlation.

研究动机与目标

• 研究光子叠加在增强双模准Werner态中非经典性与量子关联特性方面的作用。
• 通过Wigner对数负性（WLN）量化非经典性，利用concurrence、纯态形成纠缠和量子discord测量量子关联。
• 评估这些工程化态作为量子通道在隐形传态相干态和压缩态时的性能。
• 批判性评估并反驳一种观点，即负Wigner函数值可普遍作为量子关联的见证。

提出的方法

• 通过叠加m光子附加的相干态|α,m⟩与|−α,m⟩构建双模准Werner态。
• 计算Wigner函数与Wigner对数负性（WLN），以量化单模与双模非经典性。
• 计算concurrence与纯态形成纠缠以度量纠缠，计算量子discord以捕捉总量子关联。
• 利用准Werner态作为量子通道，分析相干态与压缩态的隐形传态保真度。
• 将Wigner函数负性行为与量子关联度量进行比较，以检验其作为见证的可靠性。
• 使用包含拉盖尔多项式与超几何函数的解析表达式计算态的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子叠加如何影响双模准Werner态中的Wigner对数负性与量子关联？
• RQ2 通过这些态作为量子通道，光子叠加在多大程度上提升了相干态与压缩态的隐形传态保真度？
• RQ3 双模Wigner函数的负值能否作为这些态中量子关联的普遍见证？
• RQ4 随着光子叠加数的增加，concurrence、纯态形成纠缠与量子discord如何演化？
• RQ5 在无纠缠情况下，Wigner函数负性是否依然存在，从而与先前的论断相矛盾？

主要发现

• 光子叠加同时增强了单模非经典性（通过WLN）与双模量子关联（concurrence、纯态形成纠缠、量子discord），证明其在纯化纠缠方面的有效性。
• 相干态与压缩态的隐形传态保真度因光子叠加而显著提升，证实其作为量子通道的性能增强。
• 即使在无纠缠情况下，Wigner函数仍保持负值，与Siyouri等人[54]的论断相矛盾，即负Wigner值仅能见证纠缠。
• 当纠缠消失时，量子discord仍保持非零，凸显其在捕捉非纠缠量子关联方面的作用。
• Wigner对数负性（WLN）有效量化了非经典性与量子关联的综合效应，且随光子叠加数增加而上升。
• 本研究确立了负Wigner函数值不能作为量子关联的普遍见证，尤其是在具有非零量子discord的可分态中。