Lineær optik og fotodetektion opnår næsten optimal utvetydig sammenhængende tilstandsdiskriminering

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Jasminder S. Sidhu¹, Michael S. Bullock², Saikat Guha^2,3og Cosmo Lupo^4,5

¹SUPA Institut for Fysik, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, UK
²Department of Electrical and Computer Engineering, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
³College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
⁴Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italien
⁵INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italien

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Kohærente tilstande af det kvanteelektromagnetiske felt, kvantebeskrivelsen af ideelt laserlys, er primære kandidater som informationsbærere til optisk kommunikation. Der findes en stor mængde litteratur om deres kvantebegrænsede vurdering og diskrimination. Der vides dog meget lidt om de praktiske realiseringer af modtagere for entydig statsdiskrimination (USD) af sammenhængende stater. Her udfylder vi dette hul og skitserer en teori om USD med modtagere, der får lov til at anvende: passiv multimode lineær optik, fase-rumforskydninger, hjælpevakuumtilstande og on-off fotondetektion. Vores resultater indikerer, at i nogle regimer er disse aktuelt tilgængelige optiske komponenter typisk tilstrækkelige til at opnå næsten optimal entydig diskrimination af flere, multimode kohærente tilstande.

Udvalgt billede: Eksempel på et eksplicit modtagerdesign, der bruger multi-mode lineær passiv optik, fase-rum-forskydningsoperationer, hjælpevakuumtilstande og mode-wise on-off foton detektion.

Populært resumé

Kvanteforbedrede modtagere er i forkant med nye kvanteteknologier. Til applikationer inden for optisk kommunikation giver de forbedrede diskriminerende muligheder for flere ikke-ortogonale kvantetilstande. Dette er især vigtigt for svage sammenhængende alfabeter i betragtning af deres centrale rolle som informationsbærere inden for kvantesansning, kommunikation og databehandling. En veldesignet kvantemodtager kombinerer praktisk med høj ydeevne, hvor sidstnævnte kvantificeres gennem en passende opgaveafhængig fortjeneste Inden for rammerne af entydig tilstandsdiskrimination (USD) er kvantemodtagere designet til at identificere en ukendt tilstand uden fejl og dens præstation er benchmarket i forhold til den mindste gennemsnitlige sandsynlighed for at opnå en uafklaret begivenhed.

Der er en bred mængde litteratur, der er viet til at fastslå den globale grænse for USD for forskellige familier af kvantestater, inklusive semibestemt programmering og endda nøjagtige analytiske løsninger, hvor symmetrien i staterne tillader det. Disse tilgange giver formelle matematiske beskrivelser for globalt optimale USD-målinger, men lever ikke op til en eksplicit eller gennemførlig modtagerkonstruktion. Overraskende nok vides der meget lidt om praktiske USD-modtagere til sammenhængende stater ud over faseskift-nøglekonstellationer, og om de kan nå de globale grænser.

For at lukke dette hul etablerer vi en ny teori for USD, der opererer under praktiske måleskemaer. Især udnytter vores modtagere kun begrænsede ressourcer, såsom multi-mode lineær passiv optik, fase-rum-forskydningsoperationer, hjælpevakuumtilstande og mode-wise on-off foton detektion. Vi udvikler flere klasser af modtagere, som hver passer til specifikke egenskaber af den sammenhængende tilstandskonstellation. Vi anvender vores teori på en række kohærente-statsmodulationer og benchmarker ydeevnen til eksisterende globale grænser på USD. Vi demonstrerer, at i nogle regimer er dette praktiske, men dog begrænsede sæt af fysiske operationer typisk tilstrækkeligt til at levere næsten optimal ydeevne. Dette arbejde etablerer en teoretisk ramme til at forstå og mestre design af modtagere for at muliggøre næsten optimal USD af sammenhængende stater.

► BibTeX-data

@article{Sidhu2023linearoptics, doi = {10.22331/q-2023-05-31-1025}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-05-31-1025}, title = {Linear optics og fotodetektion opnår næsten optimal entydig sammenhængende tilstandsdiskrimination}, forfatter = {Sidhu, Jasminder S. og Bullock, Michael S. og Guha, Saikat og Lupo, Cosmo}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X }, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, bind = {7}, sider = {1025}, måned = maj, år = {2023} }

► Referencer

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard og N. David Mermin, Kvantekryptografi uden klokkens sætning, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu og Pieter Kok, Geometrisk perspektiv på kvanteparameterestimering, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https:///doi.org/10.1116/1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu og Pieter Kok, Quantum fisher information for general spatial deformations of quantum emitters, ArXiv (2018), https:///doi.org/10.48550/arXiv.1802.01601, arXiv:1802.01601] [ .
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1802.01601
arXiv: 1802.01601

[4] S. Pirandola, UL Andersen, L. Banchi, M. Berta, D. Bunandar, R. Colbeck, D. Englund, T. Gehring, C. Lupo, C. Ottaviani, et al., Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. Foton. 12, 1012 (2020).
https:///doi.org/10.1364/AOP.361502

[5] Jasminder S. Sidhu, Siddarth K. Joshi, Mustafa Gündoğan, Thomas Brougham, David Lowndes, Luca Mazzarella, Markus Krutzik, Sonali Mohapatra, Daniele Dequal, Giuseppe Vallone, et al., Advances in space quantum communications, IET Quantum Communication , 1 ( 2021a).
https:///doi.org/10.1049/qtc2.12015

[6] S. Schaal, I. Ahmed, JA Haigh, L. Hutin, B. Bertrand, S. Barraud, M. Vinet, C.-M. Lee, N. Stelmashenko, JWA Robinson, et al., Hurtig gate-baseret udlæsning af silicium kvanteprikker ved hjælp af josephson parametrisk forstærkning, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae og Leong-Chuan Kwek, Kvantestatsdiskrimination og dens anvendelser, J. Phys. A: Matematik. Teoret. 48, 083001 (2015).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/48/8/083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir og SV Polyakov, praktiske kvanteforstærkede modtagere til klassisk kommunikation, AVS Quantum Science 3 (2021), https://doi.org/10.1116/5.0036959.
https:///doi.org/10.1116/5.0036959

[9] Ivan A. Burenkov, N. Fajar R. Annafianto, MV Jabir, Michael Wayne, Abdella Battou og Sergey V. Polyakov, Eksperimentel shot-by-shot estimering af kvantemålings konfidens, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal og Georges Kaddoum, Optisk kommunikation i rummet: Udfordringer og afbødningsteknikker, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https:///doi.org/10.1109/COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Ækvivalens af semiklassiske og kvantemekaniske beskrivelser af statistiske lysstråler, Fysisk. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Kohærente og usammenhængende tilstande af strålingsfeltet, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https:///doi.org/10.1103/PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Hvordan man skelner mellem ikke-ortogonale tilstande, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https://doi.org/10.1016/0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Overlap og skelnelige kvantetilstande, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https://doi.org/10.1016/0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres og Daniel R Terno, Optimal skelnen mellem ikke-ortogonale kvantetilstande, J. Phys. A: Matematik. Gen. 31, 7105 (1998).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/31/34/013

[16] YC Eldar, En semibestemt programmeringstilgang til optimal entydig diskrimination af kvantetilstande, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Utvetydig diskrimination mellem lineært uafhængige kvantetilstande, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia og Ramon Muñoz Tapia, Nøjagtig identifikation af et kvanteændringspunkt, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato og Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokal utvetydig diskrimination af symmetriske ternære tilstande, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas og Ramon Muñoz-Tapia, Online identifikation af symmetriske rene tilstande, Quantum 6, 658 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery og János A. Bergou, Optimal entydig diskrimination mellem lineært uafhængige ikke-ortogonale kvantetilstande og dens optiske realisering, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik og Edgar Feldman, Optimal entydig diskrimination af rene kvantetilstande, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy og M. Lax, Optimal testning af flere hypoteser i kvantedetektionsteori, IEEE Trans. Inf. Theory 21, 125 (1975).
https:///doi.org/10.1109/TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Quantum Detection and Estimation Theory (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin og T. Mor, Kvantekryptografi med kohærente tilstande, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimal modtager til kvantekryptografi med to sammenhængende tilstande, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Utvetydig tilstandsdiskrimination af sammenhængende tilstande med lineær optik: Anvendelse til kvantekryptografi, Fysisk. Rev. A 66, 042313 (2002).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma og Norbert Lütkenhaus, Utvetydig tilstandsdiskrimination i kvantekryptografi med svage sammenhængende tilstande, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.62.022306

[29] Patrick J. Clarke, Robert J. Collins, Vedran Dunjko, Erika Andersson, John Jeffers og Gerald S. Buller, Eksperimentel demonstration af kvantedigitale signaturer ved hjælp af fasekodede kohærente lystilstande, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan og A. Migdall, Implementering af generaliserede kvantemålinger til utvetydig diskrimination af flere ikke-ortogonale sammenhængende tilstande, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https:///doi.org/10.1038/ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen og Ulrik L. Andersen, Tomografi af en feedbackmåling med fotondetektion, Fysisk. Rev. Lett. 124, 070502 (2020).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen og Ulrik L. Andersen, Adaptiv generaliseret måling til entydig tilstandsdiskrimination af quaternary phase-shift-keying coherent states, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario og FE Becerra, Demonstration af optimal ikke-projektiv måling af binære kohærente tilstande med fotontælling, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi og S Guha, At opnå holevo-kapaciteten af en ren statslig klassisk-kvantekanal via utvetydig statsdiskrimination, i 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) s. 166-170.

[35] AS Holevo, Kvantekanalens kapacitet med generelle signaltilstande, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https:///doi.org/10.1109/18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturerede optiske modtagere for at opnå superadditiv kapacitet og holevo-grænsen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton og JH Shapiro, Om kvantegrænsen for optisk kommunikation: Sammenkædede koder og fælles-detektionsmodtagere, i 2011 IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings (2011) s. 274-278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari og Vittorio Giovannetti, Multiphase hadamard-modtagere til klassisk kommunikation på tabsgivende bosoniske kanaler, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych og Gerd Leuchs, Demonstration af kohærent-stats-diskrimination ved hjælp af en forskydningskontrolleret fotontal-resolverende detektor, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych og Gerd Leuchs, Discrimination of binary coherent states using a homodyne detector and a photon number resolving detector, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden og N. Gisin, Utvetydig kvantemåling af ikke-ortogonale tilstande, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett og Erling Riis, Eksperimentel demonstration af optimal entydig tilstandsdiskrimination, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares og Matteo GA Paris, Gaussiske tilstande i kontinuerlig variabel kvanteinformation (Bibliopolis (Napoli), 2005) arXiv:quant-ph/0503237.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.quant-ph/0503237
arXiv:quant-ph/0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo og M. Napolitano, Udforskning af repræsentationsteori for enhedsgrupper via lineære optiske passive enheder, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https://doi.org/10.1007/s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson og Alex Arkhipov, The computational complexity of linear optics, i Proceedings of the 2011th årlige ACM symposium on Theory of computing (ACM, 333) s. 342-XNUMX.
https:///doi.org/10.1145/1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein og Philip Bertani, Eksperimentel realisering af enhver diskret enhedsoperatør, Phys. Rev. Lett. 73, 58 (1994).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.73.58

[47] William R. Clements, Peter C. Humphreys, Benjamin J. Metcalf, W. Steven Kolthammer og Ian A. Walmsley, Optimal design for universal multiport interferometre, Optica 3, 1460 (2016).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.3.001460

[48] BA Bell og IA Walmsley, Yderligere komprimering af lineære optiske enheder, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https:///doi.org/10.1063/5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo og Ulrik L. Andersen, Quantum receiver for phase-shift keying på single-photon level, PRX Quantum 2, 010332 (2021b).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010332

[50] Saikat Guha, Patrick Hayden, Hari Krovi, Seth Lloyd, Cosmo Lupo, Jeffrey H. Shapiro, Masahiro Takeoka og Mark M. Wilde, Quantum enigma-maskiner og låsekapaciteten af en kvantekanal, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia og R. Muñoz-Tapia, Identifikation af funktionsfejl i kvanteenheder, arXiv:1808.02729 (2018), https:///doi.org/10.48550/arXiv.1808.02729. arXiv:arXiv:1808.02729.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.1808.02729
arXiv:arXiv:1808.02729

[52] Bobak Nazer og Michael Gastpar, Sagen for strukturerede tilfældige koder i netværkskapacitetsteoremer, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://doi.org/10.1002/ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturerede optiske modtagere for at opnå superadditiv kapacitet og holevo-grænsen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2. udgave, Vol. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor og Sergio Verdu, Kanalkodningshastighed i det endelige bloklængderegime, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair og Saikat Guha, Finite codelængdeanalyse af den sekventielle bølgeformsnulningsmodtager for m-ary psk, i 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) s. 1665-1670.
https:///doi.org/10.1109/ISIT.2015.7282739

[57] Mankei Tsang, Poisson kvanteinformation, Quantum 5, 527 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-08-19-527

[58] Krishna Kumar Sabapathy og Andreas Winter, Bosonic data hiding: power of linear vs non-linear optics, arXiv:2102.01622 (2021), https://doi.org/10.48550/arXiv.2102.01622, arXiv:2102.01622X.iv:XNUMXX.iv:XNUMXX.iv: .
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2102.01622
arXiv:arXiv:2102.01622

[59] Ludovico Lami, Kvantedata skjuler med kontinuerlige variable systemer, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.104.052428

Citeret af

[1] Alessio Belenchia, Matteo Carlesso, Ömer Bayraktar, Daniele Dequal, Ivan Derkach, Giulio Gasbarri, Waldemar Herr, Ying Lia Li, Markus Rademacher, Jasminder Sidhu, Daniel KL Oi, Stephan T. Seidel, Rainer Kaltenbaek, Christoph Marquardt, Hendrik Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro og Angelo Bassi, "Kvantefysik i rummet", Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa og Daniel KL Oi, "Finite key effects in satellit quantum key distribution", npj Quantum Information 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario og FE Becerra, "Demonstration af optimal ikke-projektiv måling af binære kohærente tilstande med fotontælling", npj Quantum Information 8, 84 (2022).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2023-06-01 02:15:37). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2023-06-01 02:15:35).

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
Kilde: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-05-31-1025/

Tidsstempel: Maj 31, 2023

Tidsstempel: Oktober 11, 2022

Lineær optik og fotodetektion opnår næsten optimal entydig sammenhængende tilstandsdiskrimination

Genudgivet af Platon

Abstrakt

Populært resumé

► BibTeX-data

► Referencer

Citeret af

Mere fra Quantum Journal

Diagnosticering af golde plateauer med værktøjer fra Quantum Optimal Control

Kvantificering af fermioniske interaktioner fra brud på Wicks sætning

Test af identitet af samlinger af kvantetilstande: prøvekompleksitetsanalyse

Kvantetokens til digitale signaturer

Platoniske Bell uligheder for alle dimensioner

På vej mod en generel ramme for randomiseret benchmarking, der inkorporerer ikke-Markovsk støj

Automatiseret generering af shuttling-sekvenser til en lineær segmenteret ionfælde-kvantecomputer

Hurtig stabilisatorsimulering med kvadratiske formudvidelser

Kontinuerlig-variabel sammenfiltring gennem centrale kræfter: Anvendelse på tyngdekraft mellem kvantemasser

En forfining af Reznicks Positivstellensatz med anvendelser til kvanteinformationsteori

Materiekohærensens rolle i sammenfiltring på grund af tyngdekraften

Om os

Vertikal søgning & Ai

perron

Stay Connected

Konto