[论文解读] Quantum teleportation with independent sources over an optical fibre network

Qi-Chao Sun, Ya-Li Mao+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 5

一句话总结

本论文通过独立制备的光子源，在30公里光纤网络中实现了量子隐形传态，利用主动前馈和延迟贝尔态测量，平均态保真度达85(3)%，过程保真度达77(3)%。结果超越经典极限，并以低于2.4×10⁻¹⁴的统计置信水平确认了隐形传态的量子特性。

ABSTRACT

Quantum teleportation faithfully transfers a quantum state between distant nodes in a network, enabling revolutionary information processing applications. Here we report teleporting quantum states over a 30 km optical fiber network with the input single photon state and the EPR state prepared independently. By buffering photons in 10 km coiled optical fiber, we perform Bell state measurement after entanglement distribution. With active feed-forward operation, the average quantum state fidelity and quantum process fidelity are measured to be 0.85 and 0.77, exceeding classical limits of 0.67 and 0.5, respectively. The statistical hypothesis test shows that the probability of a classical process to predict an average state fidelity no less than the one observed in our experiment is less than 2.4E-14, confirming the quantum nature of our quantum teleportation experiment. Our experiment marks a critical step towards the realization of quantum internet in the future.

研究动机与目标

• 在可扩展的量子网络中使用独立光子源实现量子隐形传态。
• 解决在长距离光纤中独立生成的纠缠态之间存在时间与相位失配的挑战。
• 在实际、非同步的光源条件下，于真实世界现场测试中实现高保真度的量子隐形传态。
• 通过严格的统计假设检验，验证隐形传态的量子本质相对于经典替代方案的优越性。
• 推进利用现有光纤基础设施构建未来量子互联网的可行性。

提出的方法

• 爱丽丝与查理处的独立量子光源分别生成单光子和纠缠光子对（EPR态），且无需同步。
• 光子通过10公里盘绕光纤缓冲，以在贝尔态测量前实现输入态与纠缠态的时间对齐。
• 在纠缠分发后执行延迟贝尔态测量，以确保相关光子的时间重叠。
• 通过主动前馈操作实时传输贝尔态测量结果，以在目标量子比特上施加正确的幺正校正。
• 利用时间-数字转换器（TDCs）进行四重符合检测，识别成功的隐形传态事件。
• 通过量子态层析与过程层析重建密度矩阵，并计算态保真度与过程保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实世界光纤网络中，能否利用独立生成的量子态实现高保真度的量子隐形传态？
• RQ2 在分布式网络中，光子缓冲结合延迟贝尔态测量在多大程度上可提升隐形传态的保真度？
• RQ3 经典过程能够再现所观测到的隐形传态保真度的概率是多少？
• RQ4 多光子发射与非理想幺正操作等缺陷对隐形传态性能有何影响？
• RQ5 在实际部署的现场环境中，能否以高统计置信度实验确认隐形传态的量子本质？

主要发现

• 在主动前馈下，平均量子态保真度达到85(3)%，显著超过经典极限的2/3。
• 量子过程保真度测量值为77(3)%，证实了隐形传态协议的高保真度运行。
• 经典过程实现所观测保真度的概率低于2.4×10⁻¹⁴，确认了实验的量子本质。
• 未使用前馈时，平均态保真度为91(3)%，表明保真度取决于贝尔态测量结果的选择。
• 未使用前馈时过程保真度为84(4)%，使用前馈后为77(3)%，反映出幺正校正与实验缺陷的影响。
• 由于爱丽丝处光源平均光子数为0.08/脉冲，查理处为0.03，两光子干涉可见度受限于0.917。