JP5526087B2 - Quantum entanglement generation system, entanglement generation method - Google Patents
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Description
本発明はコヒーレント状態にあるパルスの伝送に基づき、量子もつれを生成する量子もつれ生成システム、量子もつれ生成方法に関するものである。 The present invention relates to a entanglement generation system and a entanglement generation method that generate entanglement based on transmission of a pulse in a coherent state.
量子通信を行うには、少なくとも送受信装置が量子もつれを共有するための能力を持つ必要がある。量子もつれの共有は、送信装置が量子もつれ状態にある二系のうちの一つを受信装置へ伝送し、受信装置が受け取った系に対して一般化測定を行うことで達成される。これは暗に、量子もつれ生成方式が「送信装置が準備する量子もつれ状態」と「受信装置が行う一般化測定」で定義されることを意味している。従来の量子もつれ生成方式の中には、送信装置が「量子ビットと光のコヒーレント状態間における量子もつれ状態」を生成することに基づくものが存在する。コヒーレント状態の伝送に基づく量子通信とは、一般に、次の量子もつれ生成の枠組みに含まれると見なされている。図1を参照して、コヒーレント状態の伝送に基づく量子もつれ生成の概念を説明する。図1は、コヒーレント状態の伝送に基づく量子もつれ生成の概念を示す図である。 In order to perform quantum communication, it is necessary that at least the transmission / reception apparatus has the ability to share quantum entanglement. The sharing of the quantum entanglement is achieved by transmitting one of the two systems in the quantum entangled state to the receiving apparatus and performing a generalized measurement on the system received by the receiving apparatus. This implies that the quantum entanglement generation method is defined by “quantum entangled state prepared by the transmitter” and “generalized measurement performed by the receiver”. Some conventional quantum entanglement generation methods are based on the fact that a transmission device generates a “quantum entangled state between coherent states of a qubit and an optical”. Quantum communication based on coherent state transmission is generally considered to be included in the following framework for entanglement generation. With reference to FIG. 1, the concept of entanglement generation based on coherent state transmission will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a concept of entanglement generation based on transmission in a coherent state.
<手順1>
まず、送信装置は何らかの方法で自身の保持する量子ビットA(付録A参照)[2]と光パルスμ[1]を
<
First, the transmitting device uses some method to store its own qubit A (see Appendix A) [2] and optical pulse μ [1].
という量子もつれ状態[6]に準備する。ここで、{qj}j=0,1は確率分布を、{|j〉}j=0,1は量子ビットAの計算基底を、{|αj〉}j=0,1は光パルスがコヒーレント状態にあることを表す。なお、レーザーによって作られるパルスの量子力学的記述がコヒーレント状態に相当する。コヒーレント状態はある複素数αで特徴付けられるため、|α〉と記述される。|α|はレーザー光の振幅に対応する。 The quantum entangled state [6] is prepared. Here, {q j } j = 0,1 is a probability distribution, {| j>} j = 0,1 is a calculation basis of qubit A, and {| α j >} j = 0,1 is an optical pulse. Is in a coherent state. Note that the quantum mechanical description of the pulse produced by the laser corresponds to the coherent state. Since the coherent state is characterized by a complex number α, it is described as | α>. | Α | corresponds to the amplitude of the laser beam.
<手順2>
次に、送信装置は光パルスμを伝送路(光ファイバー、真空中、空気中など)[9]を通じて、受信装置へ送信する。受信装置が受け取ったパルスをν1[4]と呼ぶことにする。伝送路には一般に光損失が存在するため、伝送路の作用は、環境系E[3]の状態を含めて、
<
Next, the transmission device transmits the optical pulse μ to the reception device through a transmission path (optical fiber, in vacuum, in air, etc.) [9]. The pulse received by the receiving device will be referred to as ν 1 [4]. Since there is generally optical loss in the transmission line, the action of the transmission line includes the state of the environmental system E [3],
と記述[7]される。ここで、 [7]. here,
もコヒーレント状態を表す。また、Tは伝送路の透過率に対応し、Tが大きければ、伝送路中の光損失が小さいことを意味する。従って、式(2)より、受信装置が光パルスν1を受け取った時点で、環境系まで含めた系全体の状態[8]は、 Also represents a coherent state. T corresponds to the transmittance of the transmission line. If T is large, it means that the optical loss in the transmission line is small. Therefore, from the equation (2), when the receiving device receives the optical pulse ν 1 , the state [8] of the entire system including the environment system is
と書けることになる。 Will be written.
<手順3>
次に、受信装置は、受け取った光パルスν1[4]に対し、一般化測定[5]を行い、測定結果に応じて量子もつれ共有の成功・失敗の判断を行う。
<
Next, the receiving apparatus performs generalized measurement [5] on the received optical pulse ν 1 [4], and determines the success / failure of the entanglement sharing according to the measurement result.
コヒーレント状態の伝送に基づく量子もつれ生成は、量子通信の長距離化を担う技術である量子中継においても基本的な役割を担う(非特許文献2〜6参照)。ここでの量子もつれ生成の目的は、離れた物質量子ビット間に量子もつれを供給することにあり、そこで用いられるのが光パルスと様々な物質量子ビットとの間で実現可能(詳細は非特許文献2を参照)なユニタリー相互作用
Quantum entanglement generation based on transmission in a coherent state also plays a fundamental role in quantum relay, which is a technique for extending the distance of quantum communication (see Non-Patent
である。このユニタリー演算の実現方法の例を付録Bで示す。ここで、{|αe±iθ/2〉}はコヒーレント状態である。実際、この相互作用^Uによって、 It is. An example of how to implement this unitary operation is shown in Appendix B. Here, {| αe ± iθ / 2 >} is a coherent state. In fact, this interaction ^ U
という状態にある物質量子ビットAとコヒーレント状態|α〉μにある光パルスμは、式(4)のルールによって、 The material qubit A in the state and the optical pulse μ in the coherent state | α> μ are given by the rule of the equation (4):
という量子もつれ状態に変換され、<手順2>〜<手順3>を通じて量子もつれ生成を行うシステムが提案されてきた。これらの既存の量子もつれ生成システムは手順3の違いによって、(a)検知光を一つしか利用しないシステム(非特許文献2、3、4)と(b)検知光を二つ利用するシステム(非特許文献5、6)に大別される。ここで、検知光とは量子ビットと相互作用する光パルスを指す。検知光を一つしか用いないシステムでは、受信装置は受け取った光パルスν1を自身が保有している物質量子ビットBに続けて入射するため、物質量子ビットABに対して入力される光パルスは一つしかない(非特許文献2、3、4)。一方で検知光を二つ用いるシステムでは、受信装置は受け取った光パルスν1とは別に、コヒーレント状態に初期化した光パルスν2を自分が保有する物質量子ビットBに入射するため、物質量子ビットAに対する検知光がν1、物質量子ビットBに対する検知光がν2となり、2つの光パルスが利用される(非特許文献5、6)。
A system for generating entanglement through <
以下、図2、図3を用いて2つの検知光を利用する従来技術の量子もつれ生成システム9(非特許文献5、6)について解説する。図2は2つの検知光を用いる従来技術の量子もつれ生成システム9の構成を示すブロック図である。図3は2つの検知光を用いる従来技術の量子もつれ生成システム9の動作を示すフローチャートである。従来技術の量子もつれ生成システム9は送信装置80と、受信装置90と、伝送路100とを備える。送信装置80は、量子ビットA81と、第1相互作用部82と、第1スイッチ84とを備える。第1相互作用部82は、ビームスプリッタ82aを備える。受信装置90は、第2スイッチ91と、量子ビットB92と、第2相互作用部93と、検出光生成部94と、第1変位演算部95と、検出部96と、判定部97とを備える。第2相互作用部93はビームスプリッタ93aを備える。検出光生成部94は、ビームスプリッタ94aを備える。第1変位演算部95は、ビームダンパー95aと、ビームスプリッタ95bとを備える。検出部96は、光子検出器96aと、光子検出器96bとを備える。量子もつれ生成システム9は、伝送路100の透過率T(0≦T≦1)に対し、以下のように定義される(非特許文献5、6)。
Hereinafter, a conventional entanglement generation system 9 (Non-Patent
<手順1>
送信装置80の量子ビットA81はζα=(α2sinθ)/2として、
<
The quantum bit A81 of the transmitter 80 is set as ζ α = (α 2 sin θ) / 2,
に初期化される(S81)。次に、第1相互作用部82のビームスプリッタ82aは、量子ビットA81に対し、コヒーレント状態|α/√T〉μ(ここでα≧0)にある光パルスμを照射し、式(4)のユニタリー変換^Uを通じて、量子もつれ状態
(S81). Next, the beam splitter 82a of the
を準備する(S82)。但し、ζαは本質的なパラメータではなく、系の状態の数学的取り扱いが容易になるように導入されているだけである。 Is prepared (S82). However, ζ α is not an essential parameter, and is only introduced so as to facilitate the mathematical handling of the state of the system.
<手順2>
第1スイッチ84は光パルスμを参照光LOと共に伝送路100を通じて受信装置90へ送信する(S84)。受信装置90が受け取ったパルスをν1と呼ぶことにする。式(2)より、この操作によって系全体の状態が、
<
The
となる。 It becomes.
<手順3>
受信装置90の第2スイッチ91は、光パルスν1と参照光LOとを、送信装置80から受信する(S91)。量子ビットB92は、(e−iζα|0〉B+eiζα|1〉B)/√2に初期化される(S92)。第2相互作用部93のビームスプリッタ93aは、受け取った参照光LOからコヒーレント状態
<
The
にある光パルスν2を準備し、これを(e−iζα|0〉B+eiζα|1〉B)/√2に初期化された量子ビットB92に入射する(S93)。この操作により、式(5)の導出と同様にして、光パルスν2と受信装置90の量子ビットB92は 2 is prepared and is incident on the qubit B92 initialized to (e− iζα | 0> B + eiζα | 1> B ) / √2 (S93). By this operation, similarly to the derivation of Equation (5), the optical pulse ν 2 and the qubit B92 of the receiving device 90 are
となる。 It becomes.
<手順4>
検出光生成部94は、
<
The detection
で定義される50/50ビームスプリッタであるビームスプリッタ94aにて構成されている。従って、検出光生成部94は、パルス光ν1とパルス光ν2とを入力として、50/50ビームスプリッタ94aを作用させて、パルス光ν3とパルス光ν4とを生成する(S94)。
The
<手順5>
第1変位演算部95は、パルスν4に対して変位演算子
<
The first
を作用する(S95)。一般に、変位演算子^Dβは、コヒーレント状態|α〉をコヒーレント状態|α+β〉に、 (S95). In general, the displacement operator ^ D β changes the coherent state | α> to the coherent state | α + β>
と変換する。従って、この時点での系全体の状態は、 And convert. Therefore, the state of the entire system at this point is
であり、これが測定直前の状態である。 This is the state immediately before the measurement.
<手順6>
検出部96は光子検出器96aと光子検出器96bとで構成されている。光子検出器96aと光子検出器96bは、それぞれパルス光ν3とパルス光ν5を測定する(S96)。判定部97は、どちらかの光子検出器が光子を検出した場合、量子もつれの共有が成功したと判定する(S97)。
<
The
一般に、量子もつれに生じるエラーには、「ビットエラー」と「位相エラー」の2種が存在するが、図2の量子もつれ生成システム9は、生成する量子もつれが有するエラーが1種類になるように設計されている。このような「生成される量子もつれが含むエラーの種類を1種に制限する」設計は、量子もつれ生成システム9に限らず、1つの検知光しか用いない既存のシステム(非特許文献3、4)においても採用されている。これは、これまでエラーが1種の量子もつれを生成する量子もつれ生成システムに重きが置かれてきたことを意味する。また、現在ではエラーの種類が1種類の量子もつれを生成する任意のシステムに対し、「成功確率」と「成功した条件の下で生成される量子もつれの忠実度の平均値」で定義される理論限界の存在が明らかにされている(非特許文献7)。そしてこの理論限界が、理想的な光子数識別検出器を用いる図2の量子もつれ生成システム9によって達成可能であることも証明されている(非特許文献7)。
In general, there are two types of errors that occur in quantum entanglement: “bit error” and “phase error”, but the quantum
このように、従来のシステムは「生成した量子もつれのエラーの種類が1種」という制限を充たすように設計され、結果として、この制限の中で図2の量子もつれ生成システム9が最適であることが明らかにされている。しかしながら、生成される量子もつれのエラーの種類数に固執しなければ、既存のシステムよりも効率的なシステムを構築できる可能性が残されていた。
As described above, the conventional system is designed to satisfy the restriction that “the kind of generated entanglement error is one”, and as a result, the
そこで、本発明では、エラーの種類を制限しないことにより、エラーの種類を制限しない場合における理論限界に近い効率を達成することができる量子もつれ生成システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a quantum entanglement generation system that can achieve efficiency close to the theoretical limit in the case where the type of error is not limited by not limiting the type of error.
本発明の量子もつれ生成システムは、送信装置と、伝送中に光パルスが受ける位相変化を相殺可能な透過率がTの伝送路と、受信装置とを備える。送信装置は量子ビットAと第1量子もつれ生成部とを備える。受信装置は量子ビットBと、第2量子もつれ生成部と、検出光生成部と、検出部と、判定部とを備える。 The quantum entanglement generation system of the present invention includes a transmission device, a transmission line having a transmittance T that can cancel a phase change received by an optical pulse during transmission, and a reception device. The transmission device includes a qubit A and a first entanglement generation unit. The receiving device includes a qubit B, a second entanglement generation unit, a detection light generation unit, a detection unit, and a determination unit.
第1量子もつれ生成部は、量子ビットAが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットAが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子ビットAと光パルスμの量子もつれ状態 The first entanglement generator, 0 complex α representing the coherent light amplitude and phase qubit A corresponds to the state of 0, a complex number representing the coherent light amplitude and phase qubit A corresponds to one state as the alpha 1, entangled state of the quantum bit a and the optical pulse μ
を生成して、光パルスμを伝送路(透過率T)を通じて伝送する。伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとすると、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態は、 And the optical pulse μ is transmitted through the transmission path (transmittance T). The light pulse that has passed through the transmission path shall be referred to as the optical pulse [nu 1, including when the E denote the state of the light pulse that has leaked to the environment system, environmental system after the transmission path passing through the optical pulses [nu 1 total The state of the system is
となる。 It becomes.
第2量子もつれ生成部は、量子ビットBが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットBが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子ビットBと光パルスν2の量子もつれ状態 Generator entangled second quantum is 0 complex β representing the coherent light amplitude and phase qubit B corresponds to the state of 0, a complex number representing the coherent light amplitude and phase of the qubit B corresponds to the first state Is the entangled state of qubit B and optical pulse ν 2 with β 1
を生成する。検出光生成部は、光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、系全体の状態 Is generated. The detection light generation unit receives the light pulse ν 1 and the light pulse ν 2 and inputs the state of the entire system.
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する。検出部は、光パルスν3の光子数に依存した値、および光パルスν4の光子数に依存した値を測定する。判定部は、光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する。 (Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q Are generated as optical pulses ν 3 and ν 4 . Detector, the value depending on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and a value dependent on the photon number of light pulses [nu 4 measures. Determination unit determines whether there is a difference in the number of photons of light pulses [nu 3 and the optical pulse [nu 4 had estimated, the value depending on the number of photons measured light pulses [nu 3 and the light pulses [nu 4 photons If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. Determine that tangle sharing has failed.
<本発明の量子もつれ生成システムにおける理論限界>
本発明のような「エラーの種類を制限しない場合の量子もつれ生成方式」に対する一般的な理論限界の導出に着手したところ、「方式の成功確率Ps」と「生成される量子もつれのコンカレンス(量子もつれの強度を表す指標の一つ、非特許文献1参照)の平均値 ̄C」に対し、
<Theoretical limits in the entanglement generation system of the present invention>
As a result of deriving a general theoretical limit for the “quantum entanglement generation method without limiting the type of error” as in the present invention, the “success probability P s of the method” and the “concurrence of generated entanglement ( For the average value  ̄C ”of one of the indices representing the intensity of entanglement (see Non-Patent Document 1),
という理論限界(図12(i)のグラフ)が存在することを突き止めるに至った。一方で、図2の量子もつれ生成システム9の成功確率Psと生成される量子もつれのコンカレンスの平均値 ̄Cは、
The theoretical limit (graph of FIG. 12 (i)) has been found. On the other hand, the success probability P s of the
と見積もられ(図12(iii)のグラフ)、式(13)の理論限界と隔たりがあることがわかる。さらに既存の別の方式の効率(図12(iv)と(v))と比べてみても、式(13)の理論限界(図12(i)のグラフ)との間にギャップが存在する。このような理論限界(13)と既存の方式の効率とのギャップは、生成される量子もつれのエラーの種類数に固執しなければ、これまで以上に効率的な量子もつれ生成方式が構築可能であることを示唆している。 (Graph of FIG. 12 (iii)), it can be seen that there is a gap from the theoretical limit of equation (13). Furthermore, even when compared with the efficiency of another existing method (FIGS. 12 (iv) and (v)), there is a gap between the theoretical limit of equation (13) (graph of FIG. 12 (i)). If the gap between the theoretical limit (13) and the efficiency of the existing scheme does not stick to the number of types of generated entanglement errors, a more efficient entanglement generation scheme can be constructed. It suggests that there is.
本発明の量子もつれ生成システムは、複数のエラーを含む量子もつれの生成を許容することで、実際に、既存の方式よりも効率的な量子もつれ生成方式を実現した。この方式は、ある種の量子非破壊測定が利用可能であれば理論限界(13)が達成可能であり、もし量子非破壊測定の役割を光子検出器で代用したとしても、理論限界(13)に近い効率(図12(ii)のグラフ)を誇る。 The quantum entanglement generation system of the present invention has actually realized a more efficient quantum entanglement generation method than the existing method by allowing generation of quantum entanglement including a plurality of errors. This scheme can achieve the theoretical limit (13) if some kind of quantum nondestructive measurement is available, and even if the role of quantum nondestructive measurement is replaced by a photon detector, the theoretical limit (13) Boasting an efficiency close to (the graph of FIG. 12 (ii)).
<本発明の量子もつれ生成システムの効果の検証>
もし、式(22’’’)におけるパラメータaとbが等しくなるようにパラメータα0、α1、β0、β1を選んだ場合には、生成される量子もつれが有するエラーの種類は1種に制限され、これは図2の量子もつれ生成システム9と同様に動作する。本発明は、図2の量子もつれ生成システム9とは異なり、生成されるエラーの種類を制限しない、すなわちaとbを等しくとるという条件を課さないことによって、理論限界(13)に匹敵する効率を達成するシステムである。
<Verification of the effect of the entanglement generation system of the present invention>
If the parameters α 0 , α 1, β 0 and β 1 are selected so that the parameters a and b in the equation (22 ′ ″) are equal, the type of error that the generated quantum entanglement has is 1 It is limited to seeds, and it behaves similarly to the
ここでは発明の効果をみるため、 Here, in order to see the effect of the invention,
として議論する。例として、受信装置が検出部として、 Discuss as. As an example, the receiving device as a detection unit,
という射影演算子に対応する量子非破壊測定を利用したと仮定する。この場合、量子ビットAと受信装置の系Bν3ν4の間で量子もつれを生成するシステムとなり、この方式の効率は理論限界(13)(図12(i))と一致する。 Quantum nondestructive measurement corresponding to the projection operator is used. In this case, the system generates quantum entanglement between the qubit A and the system Bν 3 ν 4 of the receiving device, and the efficiency of this scheme coincides with the theoretical limit (13) (FIG. 12 (i)).
また、受信装置が検出部として、光パルスν3と光パルスν4各々の光子数を、理想的な光子数識別検出器で測定すると仮定すれば、本発明の量子もつれ生成システムの成功確率Psは Assuming that the receiving device is a detection unit and measures the number of photons of each of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 with an ideal photon number identification detector, the success probability P of the quantum entanglement generation system of the present invention s is
で表される。ここで、Iαは変形ベッセル関数 It is represented by Where I α is the modified Bessel function
を表す。また、成功した際に生成される量子もつれのコンカレンスの平均値 ̄Cは、 Represents. In addition, the average value  ̄C of the entanglement concurrence generated upon success is
と書ける。故に成功確率Psとコンカレンス ̄Cは、aとbで制御されることがわかる。ここでb=aとすれば、この方式が生成する量子もつれが有するエラーは1種となるだけでなく、この方式の効率は前述した既存の方式の効率[式(14)]と等しくなる。しかしながら、前述したシステム(非特許文献5)とは異なり、本方式にはパラメータbの自由度が残されており、それによって本方式の効率が前述のシステム(非特許文献5)を上回る。例えば、a、bの選び方として、所望の成功確率Pに対して、aとbはコンカレンス ̄Cが最大となるように Can be written. Therefore, it can be seen that the success probability P s and the concurrence  ̄C are controlled by a and b. If b = a, the quantum entanglement generated by this scheme has not only one type of error, but the efficiency of this scheme is equal to the efficiency of the existing scheme described above [Equation (14)]. However, unlike the above-described system (Non-Patent Document 5), this method still has the degree of freedom of the parameter b, and thereby the efficiency of this method exceeds that of the above-described system (Non-Patent Document 5). For example, as a way of selecting a and b, for a desired success probability P, a and b are such that the concurrence  ̄C is maximized.
から決定することも可能である。 It is also possible to determine from
例として、式(25)の効率、既存の方式の効率、そして理論限界[式(13)]を図12に例示した。図12は従来技術のコンカレンスと成功確率の関係と本発明におけるコンカレンスと成功確率の関係とを比較して示す図である。図12では、比較のため、伝送路は0.17dB/kmの光ファイバーに対応させ、その透過率Tを As an example, the efficiency of formula (25), the efficiency of the existing scheme, and the theoretical limit [formula (13)] are illustrated in FIG. FIG. 12 is a diagram showing a comparison between the concurrence and success probability of the prior art and the concurrence and success probability in the present invention. In FIG. 12, for comparison, the transmission line corresponds to an optical fiber of 0.17 dB / km, and its transmittance T is
と定義し、θは0.01、そして各々の方式で利用されている検出器は全て理想的なものと仮定されている。横軸は方式の成功確率、縦軸は成功の際に生成される量子もつれのコンカレンスの平均値である。(i)はエラーの種類を制限しない場合の理論限界[式(13)]、(ii)は本発明の量子もつれ生成システムの効率[式(25)]、(iii)は2つの検知光を用いる既存のシステム(非特許文献5、6)の効率[式(14)]、(iv)はホモダイン検波器と1つの検知光に基づく既存のシステム(非特許文献2)の効率、(v)は光子検出器と1つの検知光に基づく既存のシステム(非特許文献3、4)の効率をそれぞれ表す。グラフから、本発明の量子もつれ生成システムの効率は理論限界に非常に近いだけでなく、既存の全てのシステムの効率を上回ることが見て取れる。従って、本発明の量子もつれ生成システムは、既存のシステムが固執してきた「生成された量子もつれのエラーへの制約」を取り除くことで、量子もつれ生成の効率が向上することを示している。この計算では、検出部で用いられる光子検出器が理想的な光子数識別検出器であると仮定したが、一般的な光子検出器を用いたとしても本発明の量子もつれ生成システムは機能し、式(22’’’)にあるパラメータaとbによって本発明の量子もつれ生成システムの効率は制御される。
And θ is assumed to be 0.01, and all detectors utilized in each scheme are assumed to be ideal. The horizontal axis is the success probability of the method, and the vertical axis is the average value of the entanglement of entanglement generated upon success. (I) is the theoretical limit when the type of error is not limited [Expression (13)], (ii) is the efficiency of the quantum entanglement generating system of the present invention [Expression (25)], and (iii) is the two detection lights. Efficiency [Formula (14)] and (iv) of the existing system (
このように、本量子もつれ生成システムによれば、エラーの種類を制限しないことにより、エラーの種類を制限しない場合における理論限界[式(13)]に近い効率を達成することができる。以下では、式(22’’’)を構成するための実施例を示す。 As described above, according to the present quantum entanglement generation system, the efficiency close to the theoretical limit [Equation (13)] when the error type is not limited can be achieved by not limiting the error type. In the following, an example for constructing the formula (22 ′ ″) will be shown.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。なお、本明細書では、送信装置、受信装置で利用する全てのデバイスが理想的に動作すると仮定して本発明システムの原理説明を進める。しかしながら、もし、あるシステムの送信装置と受信装置を理想化し、そのシステムの動作原理が以下で述べる本発明システムの動作原理と同等であると認められる場合は、そのシステムは本発明と同等であることに注意する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, the same number is attached | subjected to the structure part which has the same function, and duplication description is abbreviate | omitted. In this specification, the principle of the system of the present invention will be described on the assumption that all devices used in the transmission apparatus and the reception apparatus operate ideally. However, if the transmitter and receiver of a system are idealized and the system operating principle is found to be equivalent to the system operating principle described below, the system is equivalent to the present invention. Note that.
以下、図4、5を参照して実施例1に係る量子もつれ生成システムについて詳細に説明する。図4は本実施例の量子もつれ生成システム1の構成を示すブロック図である。図5は本実施例の量子もつれ生成システム1の動作を示すフローチャートである。本実施例の量子もつれ生成システム1は、送信装置10と、受信装置20と、伝送路100とを備える。送信装置10は、量子ビットA81と、第1相互作用部82と、第1変位演算部13と、第1スイッチ84とを備える。第1相互作用部82は、ビームスプリッタ82aを備える。第1変位演算部13は、ビームダンパー13aと、ビームスプリッタ13bと、ビームスプリッタ13cとを備える。受信装置20は、第2スイッチ91と、量子ビットB92と、第2相互作用部93と、第2変位演算部25と、検出光生成部94と、検出部96と、判定部97とを備える。第2相互作用部93は、ビームスプリッタ93aを備える。第2変位演算部25は、ビームダンパー25aと、ビームスプリッタ25bとを備える。検出光生成部94はビームスプリッタ94aを備える。検出部96は、光子検出器96aと、光子検出器96bとを備える。
Hereinafter, the quantum entanglement generation system according to the first embodiment will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the
まず、送信装置10の量子ビットA81は、αをα≧0を充たす任意の実数、ζα=(α2sinθ)/2、Tを伝送路100の透過率として、
First, the qubit A81 of the
に初期化される(S81)。ここで、量子ビットA81は共振器に原子などを入れて実現され、量子ビットA81の初期化は、例えば、共振器中の原子のエネルギーギャップに相当する波長の光を照射することで実現される(付録Aを参照)。光の照射時間を変えることで、所望の状態を作ることができる。なお、本発明において上記の量子ビットの実現方法は一例にすぎないため、量子ビットの実現方法は上記に限定されない。また、初期化を実現する装置は本発明において本質的ではないため、詳細は省略する。第1相互作用部82は、量子ビットA81に対し、振幅及び位相がα/√Tで表される光パルスμを照射して、式(4)で表現されるユニタリー変換^Uを通じて、量子もつれ状態
(S81). Here, the qubit A81 is realized by putting atoms into the resonator, and the initialization of the qubit A81 is realized by, for example, irradiating light with a wavelength corresponding to the energy gap of the atoms in the resonator. (See Appendix A). A desired state can be created by changing the light irradiation time. In the present invention, the method for realizing the qubit is only an example, and the method for realizing the qubit is not limited to the above. Further, the device for realizing the initialization is not essential in the present invention, so the details are omitted. The
を生成する(S82)。光パルスのパラメータα/√Tは、ビームスプリッタ82aの反射率を調整することで実現できる。式(4)のユニタリー変換^Uは、例えば量子ビットA81を構成する共振器中の原子に対し、非共鳴な光パルスを照射する事で実現される。パラメータのθは、原子と入射した光パルスとの非共鳴度合い、相互作用強度・時間に依存するが、この自由度は任意の値であっても以後の議論は成立する。ユニタリー変換^Uの出力状態として書いた式(16)は、相互作用が終了した量子ビットA81と相互作用後にこの共振器から出てきた光パルスμとで構成される合成系の数学的表現である。ユニタリー変換^Uの実現方法の例は、付録Bに与えた。
Is generated (S82). The optical pulse parameter α / √T can be realized by adjusting the reflectance of the
第1変位演算部13は、前記光パルスμに、変位演算子 The first displacement calculator 13 applies a displacement operator to the optical pulse μ.
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態 The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
を形成する光パルスμを生成する(S13)。ここで、光パルスμとビームスプリッタ13cによって生成された強いレーザー光を非常に低い反射率のビームスプリッタ13bで混ぜると、変位演算子
Is generated (S13). Here, when the intense laser beam generated by the optical pulse μ and the
が施された光パルスμが得られる。従って、強いレーザー光を生成するビームスプリッタ13cと反射率の低いビームスプリッタ13bとを合わせて、ひとつの変位演算部とみなすことができる。なお、ビームダンパー13aは、不要な光を破棄することを目的とする。ここで、
Is obtained. Therefore, the
のパラメータである−(α/√T)cos(θ/2)はビームスプリッタ13bに入射するレーザ光の強度を調整することで制御できる。
-(Α / √T) cos (θ / 2), which can be controlled by adjusting the intensity of the laser beam incident on the
次に、第1スイッチ84は、第1変位演算部13で生成された光パルスμと参照光LOとを伝送路100を通じて受信装置20に送信する(S84)。ここで、第1スイッチ84は、異なる経路からやって来る光パルスμと、参照光LOが、光ファイバー中で並走するようにパルスの経路を調整することができるものとする。伝送路100を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路100通過後の環境系を含めた全系の状態は、
Next, the
で表される。 It is represented by
受信装置20の第2スイッチ91は、参照光LOと、光パルスν1とを送信装置10から受信する(S91)。量子ビットB92は、
The
に初期化される(S92)。なお、ステップS92は、ステップS81、S82、S13、S84、S91が実行される前、実行されている最中、実行された後のいずれのタイミングで実行してもよい。量子ビットB92の準備・初期化は量子ビットA81と同様の方法で実現可能である。第2相互作用部93は、βをβ>αを充たす任意の実数とし、参照光LOから振幅及び位相がβで表される光パルスν2を生成して、量子ビットB92に対し、生成した光パルスν2を照射することで式(4)で表現されるユニタリー変換^Uを達成し、量子もつれ状態
(S92). Note that step S92 may be executed at any timing before, during, or after execution of steps S81, S82, S13, S84, and S91. Preparation and initialization of the qubit B92 can be realized by the same method as the qubit A81. The
を生成する(S93)。ここで、光パルスν2のパラメータβはビームスプリッタ93aの反射率によって調整可能である。
Is generated (S93). Here, the parameter β of the optical pulse ν 2 can be adjusted by the reflectance of the
第2変位演算部25は、光パルスν2に、変位演算子
The
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態 The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
を形成する光パルスν2を生成する(S25)。第2変位演算部25では、第1変位演算部13で実行される変位演算と同様の原理で構成されている。ただし、第2変位演算部25のビームスプリッタ25bの反射率は非常に高く設定する必要があり、第1変位演算部13のビームスプリッタ13bの反射率とは異なる。しかしこれは本質的な差ではない。
Generating an optical pulse [nu 2 to form a (S25). The second
検出光生成部94は、光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、入力された光パルスν1と、光パルスν2に対し、
The detection
で定義される50/50ビームスプリッタであるビームスプリッタ94aを作用させて光パルスν3と、光パルスν4とを生成する(S94)。ここで、式(21)の右辺は、ビームスプリッタ94aが出力する光パルスν3と、光パルスν4の状態を表す。また、50/50ビームスプリッタとは、反射率と透過率が各々50%の特性を有するビームスプリッタを意味する。この操作によって、系全体の状態は、
An optical pulse ν 3 and an optical pulse ν 4 are generated by operating the
となる。これは、式(22’’’)に対応する状態である。 It becomes. This is a state corresponding to the expression (22 ′ ″).
検出部96は、光パルスν3の光子数に依存した値、および光パルスν4の光子数に依存した値を測定する(S96)。判定部97は、光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する(S97)。例えば、光子検出器96aは光パルスν3を、光子検出器96bは光パルスν4をそれぞれ測定し、判定部97が、光パルスν3と光パルスν4に存在する光子数に差がある場合に量子もつれの共有が成功したと判定することで実現可能である。
このように、本実施例の量子もつれ生成システム1によって、式(22)の状態が構成され、これは、式(22’’’)と実質的に同じ状態である。故に、本量子もつれ生成システム1は、本発明の一つの実施例となっている。
Thus, the state of Expression (22) is configured by the
実施例1の量子もつれ生成システム1は送信装置10と受信装置20に各々一つずつ変位演算部(第1変位演算部13、第2変位演算部25)を備える構成であった。これら変位演算部の位置は可変であり、例えば、受信装置側に集約することも可能である。実施例2では、変位演算部を受信装置側に集約することにより、実施例1の効果に加えて、送信装置を従来技術の送信装置のまま変更することなく用いることができる量子もつれ生成システム2について、図6、7を参照して詳細に説明する。図6は本実施例の量子もつれ生成システム2の構成を示すブロック図である。図7は本実施例の量子もつれ生成システム2の動作を示すフローチャートである。本実施例の量子もつれ生成システム2は、送信装置80と、受信装置30と、伝送路100とを備える。送信装置80は、量子ビットA81と、第1相互作用部82と、第1スイッチ84とを備える。第1相互作用部82は、ビームスプリッタ82aを備える。受信装置30は、第2スイッチ91と、量子ビットB92と、第2相互作用部93と、検出光生成部94と、第2変位演算部38と、第1変位演算部95と、検出部96と、判定部97とを備える。第2相互作用部93は、ビームスプリッタ93aを備える。検出光生成部94はビームスプリッタ94aを備える。第2変位演算部38は、ビームスプリッタ38aと、ビームスプリッタ38bと、ビームダンパー38cとを備える。第1変位演算部95は、ビームダンパー95aと、ビームスプリッタ95bとを備える。検出部96は、光子検出器96aと、光子検出器96bとを備える。
The quantum
量子ビットA81は、αをα≧0、ζα=(α2sinθ)/2として、 In the qubit A81, α is α ≧ 0 and ζ α = (α 2 sin θ) / 2.
に初期化される(S81)。第1相互作用部82は、量子ビットA81に対し、振幅及び位相がα/√T(Tを伝送路100の透過率とする)で表される光パルスμを照射して、式(4)で実現されるユニタリー変換^Uを通じて、量子もつれ状態
(S81). The
を生成する(S82)。 Is generated (S82).
第1スイッチ84は、光パルスμと参照光LOとを伝送路100を通じて受信装置30に送信する(S84)。伝送路100を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路100通過後の環境系を含めた全系の状態が、
The
で表されるものとする。 It shall be represented by
受信装置30の第2スイッチ91は、参照光LOと、光パルスν1とを送信装置80から受信する(S91)。量子ビットB92は、βをβ>αを充たす実数とし、
The
に初期化される(S92)。なお、ステップS92は、ステップS81、S82、S84、S91が実行される前、実行されている最中、実行された後のいずれのタイミングで実行してもよい。第2相互作用部93は、参照光LOから振幅及び位相がβで表される光パルスν2を生成して、量子ビットB92に対し、生成した光パルスν2を照射して、量子もつれ状態
(S92). Note that step S92 may be executed at any timing before, during, or after steps S81, S82, S84, and S91. The
を生成する(S93)。 Is generated (S93).
検出光生成部94は、光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
The detection
を形成する光パルスν3、ν4を生成する(S94)。実施例1と同様に、検出光生成部94は、式(21)で定義される50/50ビームスプリッタ94aにより実現される。
To generate optical pulses ν 3 and ν 4 (S94). Similar to the first embodiment, the detection
第2変位演算部38は、光パルスν3に、変位演算子
The
を実現する変位演算器(ビームスプリッタ38a、ビームスプリッタ38b、ビームダンパー38cで実現される)を作用させて光パルスν5を形成する(S38)。第1変位演算部95は、光パルスν4に、変位演算子
The optical pulse ν 5 is formed by operating a displacement calculator (realized by the
を実現する変位演算器(ビームダンパー95a、ビームスプリッタ95bで実現される)を作用させて光パルスν6を形成する(S95)。光パルスν5および光パルスν6形成後の系全体の状態は、
The optical pulse ν 6 is formed by applying a displacement calculator (realized by the
で表されるものとする。これは、式(22’’’)に対応する状態である。 It shall be represented by This is a state corresponding to the expression (22 ′ ″).
次に、検出部96は、光パルスν5の光子数に依存した値、および光パルスν6の光子数に依存した値を測定する(S96)。判定部97は、光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と、光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する(S97)。
Next, the
このように、本実施例の量子もつれ生成システム2によれば、実施例1の効果に加えて、変位演算機能を受信装置30側に集約したため、従来の送信装置80をそのまま使用しても、エラーを制限しない場合の理論限界に近い効率の量子もつれ生成を実現できる。
As described above, according to the quantum
実施例1の量子もつれ生成システム1においては、送信装置10及び受信装置20のそれぞれが変位演算機能を備え、実施例2の量子もつれ生成システム2においては、変位演算機能を受信装置30側に集約した。しかしながら前述したように本発明の本質は、式(22’’’)で表現される量子もつれ状態を準備することであり、変位演算等が何処で行われるかは重要な問題でない。従って、本発明の目的を達成することが可能な変位演算機能の構成パターンは、実施例1、2に限らず他にもいくつかのパターンが考えられる。そこで、実施例3、および後述する実施例4では、これらの変位演算機能の構成パターン等の全ての上位概念として、本発明の目的を達成するために必要となる要素を抽象化して構成したシステムの例について説明する。まず、量子もつれ生成システム3について、図8、図9を用いて詳細に説明する。図8は本実施例の量子もつれ生成システム3の構成を示すブロック図である。図9は本実施例の量子もつれ生成システム3の動作を示すフローチャートである。本実施例の量子もつれ生成システム3は、送信装置40と、受信装置50と、伝送路100とを備える。送信装置40は、量子ビットA41と、第1相互作用部42と、第1スイッチ44とを備える。受信装置50は、第2スイッチ51と、量子ビットB52と、第2相互作用部53と、検出光生成部54と、検出部56と、判定部57とを備える。第1相互作用部42、第2相互作用部53、検出光生成部54は、光を生成する機構、ビームスプリッタ、シューター等で実現可能であるものとし、各構成部が後述する変換式を各々実行できる機能を備えていればどんな構成でも良いものとする。また、検出部56は実施例1、2で説明したように任意の光子検出器で実現可能である。
In the quantum
まず、量子ビットA41は、 First, qubit A41 is
に初期化される(S41)。第1相互作用部42は、量子ビットA41に対し、光パルスμを照射して、量子ビットA41が0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットA41が1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子もつれ状態 (S41). The first interaction unit 42 irradiates the qubit A41 with an optical pulse μ, and sets α 0 as a complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to a state where the qubit A41 is 0 , and the qubit A41 is 1 the complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state as alpha 1, entangled state
を生成する(S42)。 Is generated (S42).
第1スイッチ44は、Tを伝送路100の透過率とし、量子もつれ状態
The
を形成する光パルスμと参照光LOとを伝送路100を通じて受信装置50に送信する(S44)。伝送路100を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路100通過後の環境系を含めた全系の状態が、
And the reference light LO are transmitted to the receiving device 50 through the transmission line 100 (S44). An optical pulse that has passed through the
で表されるものとする。 It shall be represented by
受信装置50の第2スイッチ51は、参照光LOと、光パルスν1とを送信装置40から受信する(S51)。量子ビットB52は、
The
に自身を初期化する(S52)。なお、ステップS52は、ステップS41、S42、S44、S51が実行される前、実行されている最中、実行された後のいずれのタイミングで実行してもよい。第2相互作用部53は、参照光LOから光パルスν2を生成して、量子ビットB52に対し、生成した光パルスν2を照射して、量子ビットB52が0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットB52が1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子もつれ状態
(S52). Note that step S52 may be executed at any timing before, during, or after execution of steps S41, S42, S44, and S51. The
を生成する(S53)。 Is generated (S53).
検出光生成部54は、光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
The detection
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する(S54)。 (Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q Are generated as optical pulses ν 3 and ν 4 (S54).
検出部56は、光パルスν3の光子数に依存した値、および光パルスν4の光子数に依存した値を測定する(S56)。判定部57は、光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する(S57)。
ここで、示した方法は、実施例1、2の上位概念に相当する。また、式(22’’’)でa≠bとおくことが、生成される量子もつれのエラーの種類を制限しないことに繋がり、結果的に本実施例は、理論限界(13)に近い効率を達成可能な方式となる。 The method shown here corresponds to the superordinate concept of the first and second embodiments. Further, setting a ≠ b in the equation (22 ′ ″) leads to no limitation on the type of generated quantum entanglement error. As a result, the present embodiment has an efficiency close to the theoretical limit (13). Can be achieved.
第1量子もつれ生成部65は、量子ビットA41が0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットA41が1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子ビットA41と光パルスμの量子もつれ状態 The first entanglement generation unit 65 represents α 0 as a complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit A41 is 0, and represents the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit A41 is 1. entangled state of a complex number as alpha 1, qubit A41 and the light pulse μ
を生成して、光パルスμを伝送路110(透過率T)を通じて伝送する(S65)。伝送路110を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとすると、光パルスν1の伝送路110通過後の環境系を含めた全系の状態は、
And the optical pulse μ is transmitted through the transmission line 110 (transmittance T) (S65). The optical pulse that has passed through the
となる。 It becomes.
第2量子もつれ生成部79は、量子ビットB52が0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットB52が1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子ビットB52と光パルスν2の量子もつれ状態
Second entangled
を生成する(S79)。なお、ステップS79は、ステップS65が実行される前、実行されている最中、実行された後のいずれのタイミングで実行してもよい。検出光生成部54は、光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
Is generated (S79). Note that step S79 may be executed at any timing before, during, or after execution of step S65. The detection
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する(S54)。検出部56は、光パルスν3の光子数に依存した値、および光パルスν4の光子数に依存した値を測定する(S56)。判定部57は、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推測される場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推測される場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する(S57)。
(Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q Are generated as optical pulses ν 3 and ν 4 (S54).
ここで、示した方法は、実施例1、2、3の上位概念に相当する。また、式(22’’’)でa≠bとおくことが、生成される量子もつれのエラーの種類を制限しないことに繋がり、結果的に本実施例は、理論限界(13)に近い効率を達成可能な方式となる。 The method shown here corresponds to the superordinate concept of the first, second, and third embodiments. Further, setting a ≠ b in the equation (22 ′ ″) leads to no limitation on the type of generated quantum entanglement error. As a result, the present embodiment has an efficiency close to the theoretical limit (13). Can be achieved.
<付録A:量子ビット>
量子ビットとは、二つの異なる状態{|0〉,|1〉}をとり、一般には重ね合わせ状態
<Appendix A: Qubits>
A qubit takes two different states {| 0>, | 1>} and is generally a superposition state.
をとる。ただし、α、βは|α|2+|β|2=1を充たす複素数である。基本的には量子ビットに対して「初期化、1量子ビットユニタリー演算、測定」の3つの操作が実現可能であることが要請される。初期化とは、式(26)の複素係数α、βを自由に選べる能力をいう。ユニタリー演算 Take. However, α and β are complex numbers satisfying | α | 2 + | β | 2 = 1. Basically, it is required that three operations “initialization, 1 qubit unitary operation, and measurement” can be realized for a qubit. Initialization refers to the ability to freely select the complex coefficients α and β in equation (26). Unitary operation
は、3次元単位ベクトル(nx,ny,nz)とパウリ演算子 Is a three-dimensional unit vector ( nx , ny , nz ) and a Pauli operator
を用いて、 Using,
と書かれ、状態を Written and state
へ変換する。また、測定は量子ビットが|0〉か|1〉の状態にあるかを判定する。例えば、式(26)にある状態に対して測定を行えば、確率|α|2で|0〉、確率|β|2で|1〉という状態にあると判定される。このような量子ビットの例は、様々なものが存在する。例えば単一光子、超伝導量子ビット、量子ドット、ダイヤモンド中のNV中心、原子、イオン等は量子ビットとして利用できる。そして、各々の物理系ごとに具体的な「初期化、1量子ビットユニタリー演算、測定」の実現方法は異なる。例えば、原子のエネルギー固有状態{|e〉,|g〉}を量子ビットの{|0〉,|1〉}に対応させる場合には、これらの基本操作が適当な周波数のレーザー光を適当な時間だけ原子に照射することによって実現可能であることが知られている。 Convert to The measurement also determines whether the qubit is in the state of | 0> or | 1>. For example, by performing measurements on condition that the equation (26), the probability | alpha | 2 by | 0>, the probability | is determined 1> is in the state that the | beta | 2 in. There are various examples of such qubits. For example, single photons, superconducting qubits, quantum dots, NV centers in diamond, atoms, ions, etc. can be used as qubits. The specific “initialization, 1 qubit unitary calculation, measurement” implementation method differs for each physical system. For example, when the energy eigenstates {| e>, | g>} of an atom are made to correspond to {| 0>, | 1>} of qubits, these basic operations are performed by applying laser light of an appropriate frequency. It is known that this can be achieved by irradiating atoms for the time.
<付録B:相互作用^Uの実現方法の例>
ここでは、^Uを実現する方法の例について述べる。ある2準位系(例えば単一原子)のエネルギー固有状態{|e〉,|g〉}を量子ビットの{|0〉,|1〉}に対応させることにする。相互作用^Uを得るための仮定は、
(1)2準位系と光との相互作用が、Jaynes−Cummingsハミルトニアン
<Appendix B: Example of how to realize interaction ^ U>
Here, an example of a method for realizing ^ U will be described. An energy eigenstate {| e>, | g>} of a certain two-level system (for example, a single atom) is made to correspond to {| 0>, | 1>} of qubits. The assumption for obtaining the interaction ^ U is
(1) The interaction between the two-level system and light is the Jaynes-Cummings Hamiltonian
(ω:光の振動数、−hω:二準位系のエネルギー差、Ω:ラビ振動数、^σ+:=|g〉〈e|、^σ−:=|e〉〈g|、^a:光の消滅演算子)で記述されること
(2)非共鳴な(|ω−ω’|≫Ω)レーザー光を照射すること
の2点である。仮定1は、超伝導量子ビット、量子ドット、ダイヤモンド中のNV中心、
原子、イオン等のほとんど全ての物理系で満足される。また、仮定2は要請される条件を充たすレーザーを準備すればよい。このとき、式(4)に現れるθは、相互作用時間をtとすれば、
(Ω: frequency of light, −hω: energy difference of two-level system, Ω: Rabi frequency, ^ σ + : = | g><e |, ^ σ − : = | e><g |, ^ (2) What is described in (a) Light extinction operator) (2) Non-resonant (| ω−ω ′ | >> Ω) irradiation with laser light.
Satisfied with almost all physical systems such as atoms and ions.
で決定される。量子ドット等の典型的な物理系では、θ〜0.01が達成可能だと予想されている(非特許文献2参照)。 Determined by In a typical physical system such as a quantum dot, it is expected that θ to 0.01 can be achieved (see Non-Patent Document 2).
Claims (8)
前記送信装置は、
量子ビットAと、
前記量子ビットAが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットAが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子ビットAと光パルスμの量子もつれ状態
を生成して、光パルスμを前記伝送路を通じて伝送する第1量子もつれ生成部とを備え、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
前記受信装置は、
量子ビットBと、
前記量子ビットBが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットBが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子ビットBと光パルスν2の量子もつれ状態
を生成する第2量子もつれ生成部と、
光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成部と、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出部と、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定部と、
を備えることを特徴とする量子もつれ生成システム。 A quantum entanglement generation system comprising: a transmission device; a transmission line having a transmittance T that can cancel a phase change received by an optical pulse during transmission; and a reception device,
The transmitter is
Qubit A;
The complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit A is 0 is α 0 , and the complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit A is 1 is α 1. Quantum entangled state of A and light pulse μ
And a first quantum entanglement generator that transmits the optical pulse μ through the transmission line,
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device is:
Qubit B;
The complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit B is 0 is β 0 , and the complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit B is 1 is β 1. Quantum entangled state of B and light pulse ν 2
A second entanglement generator for generating
The state of the whole system with light pulse ν 1 and light pulse ν 2 as inputs
(Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q A detection light generation unit that generates optical pulses ν 3 and ν 4 that form an arbitrary real number),
A detection unit for measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination unit that determines that sharing of the tangle has failed;
A entanglement generating system characterized by comprising:
送信装置は、
に初期化された量子ビットAと、
前記量子ビットAに対し、光パルスμを照射して、量子ビットAが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットAが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用部と、
Tを伝送路の透過率とし、参照光LOと量子もつれ状態
を形成する光パルスμとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチとを備え、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチと、
に初期化された量子ビットBと、
前記参照光LOから光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子ビットBが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットBが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用部と、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成部と、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出部と、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定部と、
を備えることを特徴とする量子もつれ生成システム。 A quantum entanglement generation system including a transmission device and a reception device,
The transmitter is
A qubit A initialized to
When the qubit A is irradiated with an optical pulse μ, the complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 0 is α 0 , and the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 1 Quantum entangled state, where α 1 is the complex number representing the amplitude and phase of
A first interaction unit for generating
Let T be the transmission rate of the transmission line, the reference light LO and the entangled state
A first switch that transmits the optical pulse μ forming the signal to the receiving device through the transmission path,
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmission device;
A qubit B initialized to
An optical pulse ν 2 is generated from the reference light LO, the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, and the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit B is 0 is obtained. complex beta 0, a 1 complex beta representing the coherent light amplitude and phase of the qubit B corresponds to one state, entangled state indicating
A second interaction unit for generating
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
(Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q A detection light generation unit that generates optical pulses ν 3 and ν 4 that form an arbitrary real number),
A detection unit for measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination unit that determines that sharing of the tangle has failed;
A entanglement generating system characterized by comprising:
送信装置は、αをα≧0を充たす任意の実数、ζα=(α2sinθ)/2、Tを伝送路の透過率として、
に初期化された量子ビットAと、
前記量子ビットAに対し、振幅及び位相が複素数α/√Tで表される光パルスμを照射して、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用部と、
前記光パルスμに、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態
を形成する光パルスμを生成する第1変位演算部と、
前記第1変位演算部で生成された光パルスμと参照光LOとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチとを備え、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチと、
βをβ>αを充たす任意の実数とし、
に初期化された量子ビットBと、
前記参照光LOから振幅及び位相が複素数βで表される光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用部と、
前記光パルスν2に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態
を形成する光パルスν2を生成する第2変位演算部と、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成部と、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出部と、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定部と、
を備えることを特徴とする量子もつれ生成システム。 A quantum entanglement generation system including a transmission device and a reception device,
The transmission device is an arbitrary real number satisfying α ≧ 0, ζ α = (α 2 sin θ) / 2, and T is a transmission path transmittance.
A qubit A initialized to
The quantum bit A is irradiated with an optical pulse μ whose amplitude and phase are represented by a complex number α / √T, and a quantum entangled state
A first interaction unit for generating
A displacement operator is applied to the light pulse μ.
The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
A first displacement calculator that generates an optical pulse μ forming
A first switch that transmits the optical pulse μ and the reference light LO generated by the first displacement calculation unit to the receiving device through the transmission path;
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmission device;
Let β be any real number satisfying β> α,
A qubit B initialized to
An optical pulse ν 2 whose amplitude and phase are represented by a complex number β is generated from the reference light LO, and the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, so that a entangled state
A second interaction unit for generating
A displacement operator is applied to the light pulse ν 2.
The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
A second displacement calculator that generates an optical pulse ν 2 forming
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
A detection light generator that generates optical pulses ν 3 and ν 4 that form
A detection unit for measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination unit that determines that sharing of the tangle has failed;
A entanglement generating system characterized by comprising:
送信装置は、αをα≧0を充たす任意の実数、ζα=(α2sinθ)/2として、
に初期化された量子ビットAと、
前記量子ビットAに対し、振幅及び位相が複素数α/√T(Tを伝送路の透過率とする)で表される光パルスμを照射して、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用部と、
前記光パルスμと参照光LOとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチとを備え、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチと、
βをβ>αを充たす任意の実数とし、
に初期化された量子ビットBと、
前記参照光LOから振幅及び位相が複素数βで表される光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用部と、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成部と、
前記光パルスν3に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて光パルスν5を形成する第2変位演算部と、
前記光パルスν4に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて光パルスν6を形成する第1変位演算部と、
前記光パルスν5および光パルスν6形成後の系全体の状態が、
で表されるものとし、
前記光パルスν5の光子数に依存した値、および前記光パルスν6の光子数に依存した値を測定する検出部と、
前期測定された光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と、光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定部と、
を備えることを特徴とする量子もつれ生成システム。 A quantum entanglement generation system including a transmission device and a reception device,
The transmission device can be defined as any real number satisfying α ≧ 0, ζ α = (α 2 sin θ) / 2.
A qubit A initialized to
The quantum bit A is irradiated with an optical pulse μ whose amplitude and phase are represented by a complex number α / √T (where T is the transmittance of the transmission line), and the quantum entangled state
A first interaction unit for generating
A first switch that transmits the optical pulse μ and the reference light LO to the receiving device through the transmission path;
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmission device;
Let β be any real number satisfying β> α,
A qubit B initialized to
An optical pulse ν 2 whose amplitude and phase are represented by a complex number β is generated from the reference light LO, and the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, so that a entangled state
A second interaction unit for generating
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
A detection light generator that generates optical pulses ν 3 and ν 4 that form
A displacement operator is applied to the light pulse ν 3.
A second displacement calculator that forms a light pulse ν 5 by operating a displacement calculator that realizes
A displacement operator is applied to the light pulse ν 4.
A first displacement calculator that forms a light pulse ν 6 by operating a displacement calculator that realizes
The state of the entire system after the formation of the light pulse ν 5 and the light pulse ν 6 is
It shall be represented by
A detector for measuring a value depending on the number of photons of the light pulse ν 5 and a value depending on the number of photons of the light pulse ν 6 ;
It is estimated whether there is a difference between the number of photons of the optical pulse ν 5 and the optical pulse ν 6 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured optical pulse ν 5 and the photon of the optical pulse ν 6 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the light pulse ν 5 and the light pulse ν 6, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured light pulse ν a value dependent on the number of photons of 5, when estimated from the values depending on the photon number of light pulses [nu 6 as "no difference in the number of photons of light pulses [nu 5 and the light pulse [nu 6 had" is a quantum A determination unit that determines that sharing of the tangle has failed;
A entanglement generating system characterized by comprising:
前記送信装置は、
量子ビットAが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットAが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子ビットAと光パルスμの量子もつれ状態
を生成して、光パルスμを前記伝送路を通じて伝送する第1量子もつれ生成ステップを実行し、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
前記受信装置は、
量子ビットBが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットBが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子ビットBと光パルスν2の量子もつれ状態
を生成する第2量子もつれ生成ステップと、
光パルスν1と、光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成ステップと、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出ステップと、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定ステップと、
を実行することを特徴とする量子もつれ生成方法。 A quantum entanglement generation method using a transmission device, a transmission line having a transmittance T capable of canceling a phase change received by an optical pulse during transmission, and a reception device,
The transmitter is
The complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 0 is α 0 , and the complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 1 is α 1. And entangled state of light pulse μ
And generating a first entanglement generating step of transmitting the optical pulse μ through the transmission line,
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device is:
A complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit B is 0 is β 0 , and a complex number representing the amplitude and phase of coherent light corresponding to the state where the qubit B is 1 is β 1 , and the qubit B And entangled state of light pulse ν 2
A second entanglement generating step for generating
The state of the whole system with light pulse ν 1 and light pulse ν 2 as inputs
(Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q A detection light generation step for generating optical pulses ν 3 and ν 4 that form an arbitrary real number),
A detection step of measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination step for determining that sharing of the tangle has failed;
Quantum entanglement generation method characterized by performing
送信装置は、
量子ビットAを、
に初期化する第1初期化ステップと、
前記量子ビットAに対し、光パルスμを照射して、量子ビットAが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα0、量子ビットAが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をα1として、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用ステップと、
Tを伝送路の透過率とし、参照光LOと量子もつれ状態
を形成する光パルスμとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチステップとを実行し、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチステップと、
量子ビットBを、
に初期化する第2初期化ステップと、
前記参照光LOから光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子ビットBが0の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ0、量子ビットBが1の状態に対応するコヒーレント光の振幅及び位相を表す複素数をβ1として、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用ステップと、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
(ただし、a:=|α0−α1|/2、b:=|β0−β1|/2をa≠bを充たす任意の実数とし、θ0、θ1、θp、θqを任意の実数とする)を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成ステップと、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出ステップと、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定ステップと、
を実行することを特徴とする量子もつれ生成方法。 A quantum entanglement generation method using a transmission device and a reception device,
The transmitter is
The qubit A is
A first initialization step to initialize to
When the qubit A is irradiated with an optical pulse μ, the complex number representing the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 0 is α 0 , and the coherent light corresponding to the state where the qubit A is 1 Quantum entangled state, where α 1 is the complex number representing the amplitude and phase of
A first interaction step for generating
Let T be the transmission rate of the transmission line, the reference light LO and the entangled state
And a first switch step of transmitting the optical pulse μ forming the receiver to the receiving device through the transmission path,
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch step for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmitter;
The qubit B is
A second initialization step to initialize to
An optical pulse ν 2 is generated from the reference light LO, the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, and the amplitude and phase of the coherent light corresponding to the state where the qubit B is 0 is obtained. complex beta 0, a 1 complex beta representing the coherent light amplitude and phase of the qubit B corresponds to one state, entangled state indicating
A second interaction step for generating
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
(Where a: = | α 0 −α 1 | / 2, b: = | β 0 −β 1 | / 2 is an arbitrary real number satisfying a ≠ b, and θ 0 , θ 1 , θ p , θ q A detection light generation step for generating optical pulses ν 3 and ν 4 that form an arbitrary real number),
A detection step of measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination step for determining that sharing of the tangle has failed;
Quantum entanglement generation method characterized by performing
送信装置は、
量子ビットAを、αをα≧0を充たす任意の実数、ζα=(α2sinθ)/2、Tを伝送路の透過率として、
に初期化する第1初期化ステップと、
前記量子ビットAに対し、振幅及び位相が複素数α/√Tで表される光パルスμを照射して、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用ステップと、
前記光パルスμに、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態
を形成する光パルスμを生成する第1変位演算ステップと、
前記第1変位演算ステップで生成された光パルスμと参照光LOとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチステップとを実行し、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチステップと、
量子ビットBを、βをβ>αを充たす任意の実数とし、
に初期化する第2初期化ステップと、
前記参照光LOから振幅及び位相が複素数βで表される光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用ステップと、
前記光パルスν2に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて、合成系の状態
を形成する光パルスν2を生成する第2変位演算ステップと、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成ステップと、
前記光パルスν3の光子数に依存した値、および前記光パルスν4の光子数に依存した値を測定する検出ステップと、
前期測定された光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν3の光子数に依存した値と、光パルスν4の光子数に依存した値から「光パルスν3と光パルスν4が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定ステップと、
を実行することを特徴とする量子もつれ生成方法。 A quantum entanglement generation method comprising a transmission device and a reception device,
The transmitter is
Quantum bit A, α is an arbitrary real number satisfying α ≧ 0, ζ α = (α 2 sin θ) / 2, and T is a transmission path transmittance.
A first initialization step to initialize to
The quantum bit A is irradiated with an optical pulse μ whose amplitude and phase are represented by a complex number α / √T, and a quantum entangled state
A first interaction step for generating
A displacement operator is applied to the light pulse μ.
The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
A first displacement calculation step for generating an optical pulse μ forming
Performing a first switch step of transmitting the optical pulse μ and the reference light LO generated in the first displacement calculation step to the receiving device through the transmission path;
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch step for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmitter;
Let qubit B be an arbitrary real number satisfying β> α, β
A second initialization step to initialize to
An optical pulse ν 2 whose amplitude and phase are represented by a complex number β is generated from the reference light LO, and the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, so that a entangled state
A second interaction step for generating
A displacement operator is applied to the light pulse ν 2.
The state of the composite system is operated by operating the displacement calculator that realizes
A second displacement calculating step for generating an optical pulse ν 2 forming
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
A detection light generation step for generating optical pulses ν 3 and ν 4 to form
A detection step of measuring a value dependent on the number of photons of the optical pulse [nu 3, and depending on the number of photons of the optical pulse [nu 4 values,
It is estimated whether or not there is a difference between the number of photons of the light pulse ν 3 and the light pulse ν 4 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured light pulse ν 3 and the photon of the light pulse ν 4 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured optical pulse ν 3 and the value dependent on the number of photons of the optical pulse ν 4 , it is estimated that “there is no difference in the number of photons of the optical pulse ν 3 and the optical pulse ν 4 ”. A determination step for determining that sharing of the tangle has failed;
Quantum entanglement generation method characterized by performing
送信装置は、
量子ビットAを、αをα≧0を充たす任意の実数、ζα=(α2sinθ)/2として、
に初期化する第1初期化ステップと、
前記量子ビットAに対し、振幅及び位相が複素数α/√T(Tを伝送路の透過率とする)で表される光パルスμを照射して、量子もつれ状態
を生成する第1相互作用ステップと、
前記光パルスμと参照光LOとを前記伝送路を通じて受信装置に送信する第1スイッチステップとを実行し、
前記伝送路を通過した光パルスを光パルスν1と呼ぶものとし、Eを環境系に漏れた光パルスの状態を表すものとし、光パルスν1の伝送路通過後の環境系を含めた全系の状態が、
で表されるものとし、
受信装置は、
前記参照光LOと、前記光パルスν1とを送信装置から受信する第2スイッチステップと、
量子ビットBを、βをβ>αを充たす任意の実数とし、
に初期化する第2初期化ステップと、
前記参照光LOから振幅及び位相が複素数βで表される光パルスν2を生成して、前記量子ビットBに対し、前記生成した光パルスν2を照射して、量子もつれ状態
を生成する第2相互作用ステップと、
前記光パルスν1と、前記光パルスν2とを入力とし、系全体の状態
を形成する光パルスν3、ν4を生成する検出光生成ステップと、
前記光パルスν3に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて光パルスν5を形成する第2変位演算ステップと、
前記光パルスν4に、変位演算子
を実現する変位演算器を作用させて光パルスν6を形成する第1変位演算ステップと、
前記光パルスν5および光パルスν6形成後の系全体の状態が、
で表されるものとし、
前記光パルスν5の光子数に依存した値、および前記光パルスν6の光子数に依存した値を測定する検出ステップと、
前期測定された光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差があるか否かを推定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がある」と推定した場合には、量子もつれの共有が成功したと判定し、測定された光パルスν5の光子数に依存した値と、光パルスν6の光子数に依存した値から「光パルスν5と光パルスν6が有した光子数に差がない」と推定した場合には、量子もつれの共有が失敗したと判定する判定ステップと、
を備えることを特徴とする量子もつれ生成方法。 A quantum entanglement generation method using a transmission device and a reception device,
The transmitter is
For qubit A, α is an arbitrary real number satisfying α ≧ 0, ζ α = (α 2 sin θ) / 2,
A first initialization step to initialize to
The quantum bit A is irradiated with an optical pulse μ whose amplitude and phase are represented by a complex number α / √T (where T is the transmittance of the transmission line), and the quantum entangled state
A first interaction step for generating
Performing a first switch step of transmitting the optical pulse μ and the reference light LO to the receiving device through the transmission path;
The optical pulse that has passed through the transmission path is referred to as an optical pulse ν 1 , E represents the state of the optical pulse that has leaked into the environmental system, and includes all environmental systems after the optical pulse ν 1 has passed through the transmission path. The state of the system is
It shall be represented by
The receiving device
A second switch step for receiving the reference light LO and the optical pulse ν 1 from a transmitter;
Let qubit B be an arbitrary real number satisfying β> α, β
A second initialization step to initialize to
An optical pulse ν 2 whose amplitude and phase are represented by a complex number β is generated from the reference light LO, and the generated optical pulse ν 2 is irradiated to the qubit B, so that a entangled state
A second interaction step for generating
The optical pulse ν 1 and the optical pulse ν 2 are input, and the state of the entire system
A detection light generation step for generating optical pulses ν 3 and ν 4 to form
A displacement operator is applied to the light pulse ν 3.
A second displacement calculating step of forming a light pulse ν 5 by operating a displacement calculator for realizing
A displacement operator is applied to the light pulse ν 4.
A first displacement calculation step of forming a light pulse ν 6 by operating a displacement calculator for realizing
The state of the entire system after the formation of the light pulse ν 5 and the light pulse ν 6 is
It shall be represented by
A detection step of measuring a value depending on the number of photons of the light pulse ν 5 and a value depending on the number of photons of the light pulse ν 6 ;
It is estimated whether there is a difference between the number of photons of the optical pulse ν 5 and the optical pulse ν 6 measured in the previous period, and the value depending on the number of photons of the measured optical pulse ν 5 and the photon of the optical pulse ν 6 . If it is estimated from the value depending on the number that there is a difference in the number of photons held by the light pulse ν 5 and the light pulse ν 6, it is determined that the sharing of the quantum entanglement is successful, and the measured light pulse ν a value dependent on the number of photons of 5, when estimated from the values depending on the photon number of light pulses [nu 6 as "no difference in the number of photons of light pulses [nu 5 and the light pulse [nu 6 had" is a quantum A determination step for determining that sharing of the tangle has failed;
A method for generating entanglement, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011173031A JP5526087B2 (en) | 2011-08-08 | 2011-08-08 | Quantum entanglement generation system, entanglement generation method |
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| JP2011173031A JP5526087B2 (en) | 2011-08-08 | 2011-08-08 | Quantum entanglement generation system, entanglement generation method |
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| JP2013038590A JP2013038590A (en) | 2013-02-21 |
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