[论文解读] The Quantum State of a Propagating Laser Field

S. J. van Enk, Christopher A. Fuchs|ArXiv.org|Nov 29, 2001

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

本文将传播的连续波激光场的量子态重新定义为N个相同纯相干态的混合态，利用量子de Finetti定理证明，尽管腔内场为混合态，相干态在出射光束中仍具有特殊地位。该研究通过证明常规激光可在存在共享相位参考的前提下实现量子 teleportation 和纠缠态制备，解决了关于连续变量量子 teleportation 的争议。

ABSTRACT

Optical implementations of quantum communication protocols typically involve laser fields. However, the standard description of the quantum state of a laser field is surprisingly insufficient to understand the quantum nature of such implementations. In this paper, we give a quantum information-theoretic description of a propagating continuous-wave laser field and reinterpret various quantum-optical experiments in light of this. A timely example is found in a recent controversy about the quantum teleportation of continuous variables. We show that contrary to the claims of T. Rudolph and B. C. Sanders [Phys. Rev. Lett. 87, 077903 (2001)], a conventional laser can be used for quantum teleportation with continuous variables and for generating continuous-variable quantum entanglement. Furthermore, we show that optical coherent states do play a privileged role in the description of propagating laser fields even though they cannot be ascribed such a role for the intracavity field.

研究动机与目标

• 解决长期存在的悖论：即为何一个在腔内被描述为混合态（无确定相位）的激光场，仍可在量子光学实验中充当相位参考。
• 阐明为何尽管腔内场描述中不包含相干态，光学相干态却在描述传播激光束时具有唯一特权地位。
• 解决关于常规激光是否能实现连续变量量子 teleportation 和纠缠态生成的争议，反驳‘仅纯相干态足够’的论断。
• 证明只要存在共享相位参考，激光的相位扩散并不会阻碍量子信息协议的实施。
• 表明即使使用混合态激光，只要协议对相位参考不敏感，仍可实现纠缠纯化与 teleportation。

提出的方法

• 使用输入-输出形式化方法，将传播激光束的量子态建模为N个量子系统的序列。
• 应用量子de Finetti定理，证明输出光束的态是N个相同纯相干态的混合态，确立其在此语境下的唯一性。
• 分析相位扩散后的激光束量子态，表明其仍为具有随机相位的相干态混合。
• 建模相位扩散对两模压缩态的影响，表明由于相位随机性，生成态的纠缠略有降低。
• 通过重新诠释量子 teleportation 协议，表明本地振荡器所用共享激光光场的作用是相位参考，而非额外的量子通道。
• 证明只要输入与输出态均相对于同一相位参考，teleportation 即可成功，无论激光的绝对相位如何。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何涉及激光的光学实验似乎需要一个明确的相位，尽管腔内场是无确定相位的混合态？
• RQ2 一个被描述为光子数态混合态的常规激光，是否仍能生成量子纠缠并实现连续变量 teleportation？
• RQ3 传播激光束的真实量子态是什么？为何相干态在此描述中具有唯一特权地位？
• RQ4 相位扩散如何影响激光束的量子信息内容？它是否仍能支持量子通信协议？
• RQ5 在 teleportation 协议中，用于本地振荡器的共享激光光场是否为有效量子资源，还是仅是经典相位参考？

主要发现

• 传播激光束的量子态是N个相同纯相干态的混合态，而非光子数态的混合，也非具有未知相位的单一相干态。
• 量子de Finetti定理为相干态在描述输出光束中的唯一性提供了理论依据，解决了‘首选系综’谬误。
• 激光中的相位扩散会导致相干态混合中出现随机相位，但这并不妨碍纠缠态或 teleportation 的生成。
• 由于相位噪声的存在，相位扩散后的两模压缩态的可 distill 纠缠略低于纯两模压缩态。
• 连续变量量子 teleportation 可在常规激光下实现，因为协议仅依赖于相对相位而非绝对相位，且共享激光光场可作为相位参考。
• 无需对激光介质进行测量即可生成相干态；对光束某一部分的局部测量即可将剩余部分投影为纯（或近似纯）相干态。