Experimentální sestava multifunkčního lineárně-optického kloneru kvantových bitů

Jeden ze základních zákonů přírody je tzv. "no-cloning" teorém. Ten říká, že neznámý kvantový stav nelze bezchybně kopírovat neboli klonovat. Tento fakt má bezprostřední dopad na kvantové zpracování informace. Tento fyzikální zákon dovoluje například sestrojit principiálně bezpečné kryptografické zařízení nebo zaručuje nemožnost komunikace rychlostí převyšující rychlost světla. Přestože bezchybné kvantové klonování není možné, je možné zkoumat, jak nejlépe se dá provést aproximativní kopírování v mezích zákonů fyziky.

První optimální klonovací zařízení navrhli Bužek a Hillery v roce 1996. Tento kloner je označován jako optimální pokud dává ty nejlepší výsledky povolené kvantovou mechanikou. Univerzální klonování (UC) funguje stejně dobře pro všechny možné vstupní kvantové stavy (např. polarizační stav fotonu). Naopak, pokud omezíme klonování na určitou podmnožinu vstupních kvantových stavů, lze dosáhnout přesnější klononování.

Sestrojili jsme klonovací zařízení, které lze optimalizovat nastavením parametrů tak, aby bylo optimální pro různé apriorní informace o vstupním stavu. Toto zařízení jsme otestovali ve třech významných režimech, viz obrázek. Použili jsme časově přesně korelované fotonové páry generované v krystalu LiI0₃ a fázové destičky (WP) pro přípravu požadovaných polarizačních stavů signálního a pomocného fotonového stavu. Klonovací operace se realizuje díky interferenci obou fotonů na polarizačně závislém děliči svazků (PDBS) následované polarizační filtrací stavů v interferometrech složených ze dvou polarizačních děličů (BD). Využili jsme metodu kvantové tomografie a estimace stavu. Takto jsme precizně charakterizovali funkci klonovaní pro různé apriorní informace o klonovaném stavu. Nejdůležitějším výsledkem našeho experimentu je ověření, že správně sestavený lineárně-optický kloner kvantových bitů může fungovat blízko teoretické limity ve všech třech klonovacích režimech.

Obrázek vlevo - schéma experimentálního uspořádání. Vpravo – fidelita klonovaných stavů jako funkce úhlu distribuční funkce θ pro tři význačné režimy: univerzální klonování (UC), fázově kovariantní klonování (PCC), zrcadlově fázově kovariantní klonování (MPCC). Čáry odpovídají teoretické předpovědi, značky představují měřené hodnoty.

¹ RCPTM, Joint Laboratory of Optics of Palacký University and Institute of Physics of Academy of Sciences of the Czech Republic, Faculty of Science, Palacký University, 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc, Czech Republic
²Faculty of Physics, Adam Mickiewicz University, 61-614 Poznań, Poland
³Institute of Physics of Academy of Sciences of the Czech Republic, Joint Laboratory of Optics of Palacký University and Institute of Physics of Academy of Sciences of the Czech Republic, 17. listopadu 12, 77207 Olomouc, Czech Republic