Research Abstract

量子情報科学:全光量子中継

All-photonic quantum repeaters

2015年4月15日 Nature Communications 6 : 6787 doi: 10.1038/ncomms7787 (2015)

量子通信は、秘密のメッセージの無条件安全な伝送や、未知の量子状態の忠実な転送に有望である。量子通信において、光子は選択すべき媒体だと捉えられている。長い減衰通信路を介した頑強な量子通信は、光子損失が原因で量子中継を必要とする。量子中継に対する必要かつ高度な要求は、物質量子メモリの存在であると広く信じられてきた。今回私たちは、飛行量子ビットに基づく全光量子中継という概念を導入することによって、そのような要件が実際には必要でないことを示す。具体的には、光子クラスター状態マシンガンと、局所高速アクティブフィードフォワードが備えられた損失耐性付き測定とに基づく方式を提供する。そのような全光量子中継により、通信効率は距離に対して多項式でスケールすることを示す。私たちの結果は、物質量子メモリではなく、効率の良い単一光子源に基づく量子中継に向けた新たな道を切り拓く。

Koji Azuma, Kiyoshi Tamaki & Hoi-Kwong Lo

Corresponding Author

東 浩司
NTT 物性科学基礎研究所

Quantum communication holds promise for unconditionally secure transmission of secret messages and faithful transfer of unknown quantum states. Photons appear to be the medium of choice for quantum communication. Owing to photon losses, robust quantum communication over long lossy channels requires quantum repeaters. It is widely believed that a necessary and highly demanding requirement for quantum repeaters is the existence of matter quantum memories. Here we show that such a requirement is, in fact, unnecessary by introducing the concept of all-photonic quantum repeaters based on flying qubits. In particular, we present a protocol based on photonic cluster-state machine guns and a loss-tolerant measurement equipped with local high-speed active feedforwards. We show that, with such all-photonic quantum repeaters, the communication efficiency scales polynomially with the channel distance. Our result paves a new route towards quantum repeaters with efficient single-photon sources rather than matter quantum memories.

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