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All-optical long-distance quantum communication with Gottesman-Kitaev-Preskill qubits
Physical Review Research Pub Date : 2021-08-05 , DOI: 10.1103/physrevresearch.3.033118
Kosuke Fukui 1 , Rafael N. Alexander 2, 3 , Peter van Loock 4
Affiliation  

Quantum repeaters are a promising platform for realizing long-distance quantum communication and thus could form the backbone of a secure quantum internet, a scalable quantum network, or a distributed quantum computer. Repeater protocols that encode information in single- or multiphoton states are limited by transmission losses and the cost of implementing entangling gates or Bell measurements. In this work, we consider implementing a quantum repeater protocol using Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) qubits. These qubits are natural elements for quantum repeater protocols, because they allow for deterministic Gaussian entangling operations and Bell measurements, which can be implemented at room temperature. The GKP encoding is also capable of correcting small displacement errors. At the cost of additional Gaussian noise, photon loss can be converted into a random displacement error channel by applying a phase-insensitive amplifier. Here we show that a similar conversion can be achieved in two-way repeater protocols by using phase-sensitive amplification applied in the postprocessing of the measurement data, resulting in less overall Gaussian noise per (sufficiently short) repeater segment. We also investigate concatenating the GKP code with higher-level qubit codes while leveraging analog syndrome data, postselection, and path-selection techniques to boost the rate of communication. We compute the secure key rates and find that GKP repeaters can achieve a comparative performance relative to methods based on photonic qubits while using orders-of-magnitude fewer qubits.

中文翻译:

使用 Gottesman-Kitaev-Preskill 量子位的全光长距离量子通信

量子中继器是实现长距离量子通信的有前途的平台,因此可以构成安全量子互联网、可扩展量子网络或分布式量子计算机的骨干。以单光子或多光子状态编码信息的中继器协议受到传输损耗和实施纠缠门或贝尔测量的成本的限制。在这项工作中,我们考虑使用 Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) 量子位实现量子中继器协议。这些量子位是量子中继器协议的自然元素,因为它们允许确定性高斯纠缠操作和贝尔测量,这可以在室温下实现。GKP 编码还能够纠正小的位移误差。以额外的高斯噪声为代价,通过应用相位不敏感放大器,可以将光子损失转换为随机位移误差通道。在这里,我们表明,通过在测量数据的后处理中应用相敏放大,可以在双向中继器协议中实现类似的转换,从而减少每个(足够短的)中继器段的整体高斯噪声。我们还研究了将 GKP 代码与更高级别的量子比特代码连接起来,同时利用模拟综合症数据、后选择和路径选择技术来提高通信速率。我们计算安全密钥率并发现 GKP 中继器可以实现相对于基于光子量子位的方法的比较性能,同时使用数量级更少的量子位。在这里,我们表明,通过在测量数据的后处理中使用相敏放大,可以在双向中继器协议中实现类似的转换,从而减少每个(足够短的)中继器段的整体高斯噪声。我们还研究了将 GKP 代码与更高级别的量子比特代码连接起来,同时利用模拟综合症数据、后选择和路径选择技术来提高通信速率。我们计算安全密钥率并发现 GKP 中继器可以实现相对于基于光子量子位的方法的比较性能,同时使用数量级更少的量子位。在这里,我们表明,通过在测量数据的后处理中使用相敏放大,可以在双向中继器协议中实现类似的转换,从而减少每个(足够短的)中继器段的整体高斯噪声。我们还研究了将 GKP 代码与更高级别的量子比特代码连接起来,同时利用模拟综合症数据、后选择和路径选择技术来提高通信速率。我们计算了安全密钥率,发现 GKP 中继器可以实现相对于基于光子量子位的方法的比较性能,同时使用数量级更少的量子位。导致每个(足够短的)中继器段的整体高斯噪声更少。我们还研究了将 GKP 代码与更高级别的量子比特代码连接起来,同时利用模拟综合症数据、后选择和路径选择技术来提高通信速率。我们计算安全密钥率并发现 GKP 中继器可以实现相对于基于光子量子位的方法的比较性能,同时使用数量级更少的量子位。导致每个(足够短的)中继器段的整体高斯噪声更少。我们还研究了将 GKP 代码与更高级别的量子比特代码连接起来,同时利用模拟综合症数据、后选择和路径选择技术来提高通信速率。我们计算安全密钥率并发现 GKP 中继器可以实现相对于基于光子量子位的方法的比较性能,同时使用数量级更少的量子位。
更新日期:2021-08-05
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