[论文解读] Qubit teleportation between non-neighboring nodes in a quantum network

Sophie Hermans, Matteo Pompili+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文通过金刚石中的三个氮-vacancy（NV）中心，在固态量子网络中实现了非相邻节点间的确定性量子隐形传态。通过中间节点的纠缠交换，结合定制化的预警机制、基矢交替重复测量以及主动内存保护，作者实现了超过经典极限（0.702 ± 0.011）的保真度与单位效率，标志着迈向可扩展量子网络的关键一步。

ABSTRACT

Future quantum internet applications will derive their power from the ability to share quantum information across the network. Quantum teleportation allows for the reliable transfer of quantum information between distant nodes, even in the presence of highly lossy network connections. While many experimental demonstrations have been performed on different quantum network platforms, moving beyond directly connected nodes has so far been hindered by the demanding requirements on the pre-shared remote entanglement, joint qubit readout and coherence times. Here we realize quantum teleportation between remote, non-neighboring nodes in a quantum network. The network employs three optically connected nodes based on solid-state spin qubits. The teleporter is prepared by establishing remote entanglement on the two links, followed by entanglement swapping on the middle node and storage in a memory qubit. We demonstrate that once successful preparation of the teleporter is heralded, arbitrary qubit states can be teleported with fidelity above the classical bound, even with unit efficiency. These results are enabled by key innovations in the qubit readout procedure, active memory qubit protection during entanglement generation and tailored heralding that reduces remote entanglement infidelities. Our work demonstrates a prime building block for future quantum networks and opens the door to exploring teleportation-based multi-node protocols and applications.

研究动机与目标

• 通过将隐形传态扩展至非直接连接的节点，实现在损耗性量子网络中可靠地远距离传输量子信息。
• 克服多节点量子网络中预共享纠缠保真度、联合量子比特测量以及相干时间限制等挑战。
• 实现一种可扩展的、经预警的隐形传态协议，采用集成内存与光学生长的固态自旋量子比特。

提出的方法

• 利用单光子协议与相位稳定的光学生长链路，在相邻节点（爱丽丝-鲍勃与鲍勃-查理）之间生成纠缠。
• 在鲍勃的节点执行纠缠交换，以在爱丽丝与查理之间创建远程纠缠，构成隐形传态器。
• 采用基矢交替重复（BAR）测量以提高内存量子比特保真度并减少测量错误。
• 实施定制化的预警协议，以最小化双激发与|0⟩态占据引起的误报。
• 在纠缠生成过程中实施主动内存保护，抑制退相干并提升保真度。
• 对查理的通信与内存量子比特执行条件性贝尔态测量，随后对爱丽丝执行前馈操作，完成隐形传态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态量子网络中以高保真度与单位效率实现非相邻节点间的量子隐形传态？
• RQ2 在存在双激发与|0⟩态占据错误的情况下，如何保持并增强远程纠缠保真度？
• RQ3 定制化预警与BAR测量在多节点网络中对隐形传态保真度与实验速率的提升程度如何？
• RQ4 内存量子比特相干性与联合量子比特测量对隐形传态性能有何影响？
• RQ5 在具有损耗性光学生长通道的网络中，能否实现具有实时前馈的确定性隐形传态？

主要发现

• 任意输入态的平均隐形传态保真度达到 0.702 ± 0.011，超过经典极限 2/3。
• 特定泡利本征态的隐形传态保真度范围为 0.651 ± 0.027（−Y）至 0.760 ± 0.024（X），叠加态的保真度为 0.4936 ± 0.0019。
• 采用基矢交替重复（BAR）测量显著提升了内存量子比特的读出保真度，将不一致读出模式降低至 1% 以下（10次重复后）。
• 定制化预警有效降低了远程纠缠的非保真度，使双节点链路的综合保真度达到 0.808 ± 0.017。
• 在所有创新技术集成后，实验速率提升至每 74 秒一次隐形传态，优于基线的每 53 秒一次。
• 模拟结果表明，所有误差源综合导致总非保真度为 0.305，但实验保真度仍高于经典极限，归因于误差缓解策略。