[论文解读] Robust long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics

Bo Zhao, Zeng‐Bing Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2006

Quantum Information and Cryptography参考文献 22被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于原子系综和线性光学的鲁棒量子中继协议，通过利用双光子干涉而非单光子干涉，增强了远距离量子通信的性能，降低了对实验噪声的敏感性。该方案实现了可扩展的、高保真度的远程纠缠，资源需求和通信时间呈多项式标度，避免了本地纠缠对的生成，从而实现了对存储量子比特的远距离操控。

ABSTRACT

Quantum communication deals with absolutely secure transfer of classical messages by means of quantum cryptography or faithful transfer of unknown quantum states by means of quantum teleportation between distant sites. The essential element for quantum communication is to create remote entangled pairs of high fidelity. The main difficulty to create such a distant entangled pair is that both photon loss and decoherence grow exponentially with distance. However, with the help of quantum repeater, it is demonstrated that both the entanglement sources and the time needed to create a single distant entangled pair of high fidelity could scale polynomially with the communication length. Here we propose a robust quantum repeater by extending the original Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) scheme based on atomic ensembles and linear optics. Our protocol entails the advantage of two photon interference, which is more robust than single photon interference used in the DLCZ scheme. In comparison with our previous proposal, the entangled memory qubits are manipulated across long distance, and local entanglement pairs are avoided. Our proposal provides an exciting possibility for realistic long distance quantum communication.

研究动机与目标

• 解决远距离量子通信中因光子损耗和退相干导致的纠缠保真度指数级退化问题。
• 通过用双光子干涉替代单光子干涉，提升量子中继协议的鲁棒性，降低对实验缺陷的敏感性。
• 消除对本地纠缠对的需求，简化协议并减少远距离量子网络中的错误源。
• 实现生成远程纠缠对所需资源和时间的多项式标度，推动实用化远距离量子通信。

提出的方法

• 通过在Duan-Lukin-Cirac-Zoller（DLCZ）方案中引入双光子干涉而非单光子干涉，提升对相位噪声和探测器效率不足的鲁棒性。
• 利用原子系综作为量子存储器以存储纠缠态，实现在不生成本地纠缠的情况下对存储量子比特进行远距离操控。
• 采用线性光学元件执行贝尔态测量和远距离节点间的纠缠交换，确保与现有光子技术的兼容性。
• 设计一种协议，通过连续的纠缠交换和纯化步骤，在长距离上生成并分发纠缠。
• 优化协议以最小化资源开销，避免生成本地纠缠对，从而减少所需量子存储器和测量的数目。
• 利用线性光学中双光子干涉的固有稳定性，在真实实验条件下仍能保持高保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在远距离量子通信中，双光子干涉是否相比单光子干涉能显著提升量子中继协议的鲁棒性？
• RQ2 如何在不降低远程纠缠保真度的前提下，消除对本地纠缠对的需求？
• RQ3 在基于原子系综的量子中继中，采用双光子干涉时，资源需求和通信时间的标度行为如何？
• RQ4 所提出的协议能否在生成单个远程纠缠对所需资源和时间上均实现多项式标度？
• RQ5 原子系综与线性光学的结合如何实现可扩展且容错的远距离量子通信？

主要发现

• 所提出的协议通过利用双光子干涉，实现了对远距离量子通信的鲁棒支持，其对相位波动和探测器效率不足的鲁棒性优于单光子干涉。
• 高保真度的远程纠缠对可通过资源数量和通信时间的多项式标度实现，使实用化远距离量子网络成为可能。
• 该协议消除了对本地纠缠对的需求，降低了系统复杂性和错误源。
• 通过将原子系综作为量子存储器，实现了在长距离上生成和操控纠缠，支持纠缠的可扩展分发。
• 该方案通过利用线性光学网络中双光子干涉的稳定性，在远距离上保持了高保真度。
• 整体协议为实现现实可行、高容错性且实验可实现的远距离量子通信提供了有前景的路径。