[论文解读] Quantum repeaters based on trapped ions with decoherence free subspace encoding

Michael Zwerger, B. P. Lanyon+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于离子阱的近期量子中继协议，采用退相干自由子空间（DFS）编码以抵御集体相位退相干。通过在DFS中编码量子比特，并利用线性光学实现确定性离子-离子门，该方案在当前实验参数下即可实现足够高的贝尔态保真度，使约800公里距离内能够违反贝尔不等式，未来参数优化后可扩展至数千公里。

ABSTRACT

Quantum repeaters provide an efficient solution to distribute Bell pairs over arbitrarily long distances. While scalable architectures are demanding regarding the number of qubits that need to be controlled, here we present a quantum repeater scheme aiming to extend the range of present day quantum communications that could be implemented in the near future with trapped ions in cavities. We focus on an architecture where ion-photon entangled states are created locally and subsequently processed with linear optics to create elementary links of ion-ion entangled states. These links are then used to distribute entangled pairs over long distances using successive entanglement swapping operations performed deterministically using ion-ion gates. We show how this architecture can be implemented while encoding the qubits in a decoherence free subspace to protect them against collective dephasing. This results in a protocol that can be used to violate a Bell inequality over distances of about 800 km assuming state of the art parameters. We discuss how this could be improved to several thousand kilometers in future setups.

研究动机与目标

• 解决当前离子阱量子中继因离子阱中集体相位退相干导致的局限性。
• 通过退相干自由子空间（DFS）编码克服现有协议中退相干引起的性能退化。
• 设计一种可扩展、适配近期技术的量子中继架构，实现在无需完整纠缠纯化的情况下远距离纠缠分发。
• 证明DFS编码可在实际实验参数下实现跨大陆距离的高保真度贝尔对分发。
• 提供一种在离子阱系统中实现逻辑操作与纠缠交换的实用协议，适用于DFS编码系统。

提出的方法

• 在退相干自由子空间（DFS）中编码逻辑量子比特，以抵御离子系统中主导的集体相位退相干噪声。
• 使用确定性离子-离子纠缠门（如受控相位门）在相邻节点之间执行纠缠交换。
• 通过基于线性光学的离子-光子纠缠态处理，实现离子对之间基本链路的创建与验证。
• 利用物理门和单量子比特测量实现的逻辑态制备，构建逻辑Clifford门操作（如Hadamard、CNOT、CZ）。
• 采用解析模型与马尔可夫链模型计算多链路间纠缠对的分发时间。
• 在DFS层级应用逻辑纠缠纯化协议，进一步提升保真度并实现超过800公里的通信距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验设置下，基于离子阱的量子中继是否能在存在集体相位退相干的情况下实现远距离纠缠分发？
• RQ2 与未编码协议相比，将量子比特编码在退相干自由子空间中如何提升量子中继的保真度与通信距离？
• RQ3 在当前离子阱参数下，使用DFS编码与确定性门时，最大可达通信距离是多少？
• RQ4 该协议是否能在长距离上违反贝尔不等式，从而支持设备无关的量子密钥分发？
• RQ5 分发时间如何随链路数量变化？采用解析模型与随机模型的结果有何差异？

主要发现

• 若不采用DFS编码，原始离子阱中继协议因集体相位退相干而无法优于直接光子传输性能。
• 采用DFS编码后，该协议在当前最先进的实验参数下，可在约800公里距离内实现足够高的贝尔态保真度，从而违反贝尔不等式。
• 使用解析近似方法计算的7链路中继链（400公里）分发时间约为0.2秒，与马尔可夫链模型结果（0.2003秒）高度吻合。
• 在参数优化的未来实验条件下（如更高门保真度、更高光子收集效率），通信距离可扩展至数千公里。
• 通过物理门与测量基态制备，可实现包括CNOT与CZ门在内的逻辑操作，支持可扩展的逻辑纠缠纯化。
• 基于DFS的协议可在无需完整纠缠纯化的情况下实现跨大陆尺度的量子通信，是一种切实可行的近期架构。