Lineaarne optika ja fototuvastus saavutavad peaaegu optimaalse ühemõttelise koherentse oleku diskrimineerimise

Lineaarne optika ja fototuvastus saavutavad peaaegu optimaalse ühemõttelise koherentse oleku diskrimineerimise

Allikasõlm: 2691519

Jasminder S. Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saikat Guha2,3ja Cosmo Lupo4,5

1SUPA füüsika osakond, Strathclyde'i ülikool, Glasgow, G4 0NG, UK
2Elektri- ja arvutitehnika osakond, Arizona ülikool, Tucson, Arizona 85721, USA
3Optiliste teaduste kolledž, Arizona Ülikool, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Itaalia
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Itaalia

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Kvant-elektromagnetvälja koherentsed olekud, ideaalse laservalguse kvantkirjeldus, on optilise side teabekandjate peamised kandidaadid. Nende arvuliselt piiratud hinnangute ja diskrimineerimise kohta on olemas suur hulk kirjandust. Siiski on väga vähe teada vastuvõtjate praktilistest teostustest sidusate olekute ühemõttelise riigi diskrimineerimise (USD) jaoks. Siin täidame selle tühimiku ja visandame USD-i teooria vastuvõtjatega, mida on lubatud kasutada: passiivne mitmemoodiline lineaarne optika, faasiruumi nihked, täiendavad vaakumrežiimid ja sisse-välja fotonituvastus. Meie tulemused näitavad, et mõnes režiimis on need praegu saadaolevad optilised komponendid tavaliselt piisavad mitme mitmerežiimilise koherentse oleku peaaegu optimaalse ühemõttelise diskrimineerimise saavutamiseks.

Kvant-täiustatud vastuvõtjad on uute kvanttehnoloogiate esirinnas. Optilise side rakenduste jaoks pakuvad need paremaid eristamisvõimalusi mitme mitteortogonaalse kvantoleku jaoks. See on eriti oluline nõrkade koherentsete olekute tähestike puhul, arvestades nende keskset rolli teabekandjana kvanttuvastuses, suhtluses ja andmetöötluses. Hästi läbimõeldud kvantvastuvõtja ühendab praktilisuse suure jõudlusega, kus viimast kvantifitseeritakse sobiva ülesandest sõltuva teenete arvu kaudu. Ühemõttelise olekute diskrimineerimise (USD) raames on kvantvastuvõtjad loodud tundmatu oleku tuvastamiseks ilma veata ja selle tulemuslikkust võrreldakse ebaselge sündmuse saamise minimaalse keskmise tõenäosusega.

USA dollari globaalse piirangu kehtestamiseks erinevate kvantseisundite perekondadele on pühendatud suur hulk kirjandust, sealhulgas poolmääratletud programmeerimine ja isegi täpne analüütiline lahendus, kui olekute sümmeetria seda võimaldab. Need lähenemisviisid pakuvad ametlikke matemaatilisi kirjeldusi globaalselt optimaalsete USD mõõtmiste jaoks, kuid ei suuda pakkuda selget või teostatavat vastuvõtja konstruktsiooni. Üllataval kombel on väga vähe teada praktiliste USD vastuvõtjate kohta koherentsete olekute jaoks, mis asuvad väljaspool faasinihke võtmetähtkuju ja kas need suudavad saavutada globaalseid piire.

Selle lünga kaotamiseks loome USD jaoks uue teooria, mis toimib praktiliste mõõtmisskeemide alusel. Eelkõige kasutavad meie vastuvõtjad ainult piiratud ressursse, nagu mitmerežiimiline lineaarne passiivne optika, faasiruumi nihketoimingud, täiendavad vaakumrežiimid ja režiimipõhine sisse-välja fotonituvastus. Arendame välja mitu vastuvõtjaklassi, millest igaüks sobib koherentse oleku konstellatsiooni spetsiifiliste omadustega. Rakendame oma teooriat mitmetele koherentsete olekute modulatsioonidele ja võrdleme jõudlust USD olemasolevate globaalsete piiridega. Näitame, et mõnes režiimis on see praktiline, kuid piiratud füüsiliste toimingute komplekt tavaliselt piisav optimaalse jõudluse saavutamiseks. See töö loob teoreetilise raamistiku vastuvõtjate disaini mõistmiseks ja valdamiseks, et võimaldada koherentsete olekute peaaegu optimaalset USD-d.

► BibTeX-i andmed

► Viited

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard ja N. David Mermin, Kvantkrüptograafia ilma kella teoreemita, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu ja Pieter Kok, Kvantparameetrite hindamise geomeetriline perspektiiv, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1116/​1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu ja Pieter Kok, Quantum Fisher information for general ruumilised 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 jt, Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. Footon. 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 jt, 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 jt, Räni kvantpunktide kiire värav näit, kasutades josephsoni parameetrilist võimendust, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae ja Leong-Chuan Kwek, Quantum state discrimination and its applications, J. Phys. V: Matemaatika. Teoreet. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir ja SV Polyakov, praktilised kvant-täiustatud vastuvõtjad klassikaliseks suhtluseks, 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 ja Sergey V. Polyakov, Eksperimentaalne kvantmõõtmise usaldusväärsuse hindamine võtte kaupa, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal ja Georges Kaddoum, Optiline kommunikatsioon ruumis: väljakutsed ja leevendustehnikad, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Statistiliste valguskiirte poolklassikaliste ja kvantmehaaniliste kirjelduste ekvivalentsus, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Kiirgusvälja koherentsed ja ebajärjekindlad seisundid, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Kuidas eristada mitteortogonaalseid olekuid, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Kvantolekute kattuvus ja eristatavus, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres ja Daniel R Terno, Optimaalne vahetegemine mitteortogonaalsete kvantseisundite vahel, J. Phys. V: Matemaatika. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, Pooldefineeritud programmeerimise lähenemisviis kvantolekute optimaalseks ühemõtteliseks eristamiseks, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Lineaarselt sõltumatute kvantolekute ühemõtteline diskrimineerimine, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia ja Ramon Muñoz Tapia, Kvantmuutuspunkti täpne identifitseerimine, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato ja Tsuyoshi Sasaki Usuda, Sümmeetriliste kolmekomponentsete olekute kohalik ühemõtteline diskrimineerimine, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas ja Ramon Muñoz-Tapia, Sümmeetriliste puhaste olekute võrgutuvastus, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery ja János A. Bergou, Optimaalne ühemõtteline diskrimineerimine lineaarselt sõltumatute mittenortogonaalsete kvantolekute ja selle optilise teostuse vahel, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik ja Edgar Feldman, Optimaalne ühemõtteline puhaste kvantolekute eristamine, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy ja M. Lax, Optimum testing of multiple hypotheses in quantum detection theory, IEEE Trans. Info 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 ja T. Mor, Quantum cryptography with coherent states, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimaalne vastuvõtja kahe koherentse olekuga kvantkrüptograafia jaoks, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Koherentsete olekute ühemõtteline diskrimineerimine lineaarse optikaga: rakendamine kvantkrüptograafias, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma ja Norbert Lütkenhaus, Unambiguous state diskrimination in quantum cryptography with nõrk koherentsete olekutega, 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 ja Gerald S. Buller, Kvant-digitaalallkirjade eksperimentaalne demonstratsioon faasikodeeritud koherentsete valguse olekute abil, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan ja A. Migdall, üldistatud kvantmõõtmiste rakendamine mitme mitteortogonaalse koherentse oleku ühemõtteliseks diskrimineerimiseks, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen ja Ulrik L. Andersen, Tomography of a feedback mõõte with footon detection, Phys. Rev. Lett. 124, 070502 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen ja Ulrik L. Andersen, Adaptiivne üldistatud mõõtmine kvaternaarsete faasinihke võtmega koherentsete olekute ühemõtteliseks eristamiseks, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario ja FE Becerra, binaarsete koherentsete olekute optimaalse mitteprojektiivse mõõtmise demonstreerimine footonite loendamisega, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi ja S Guha, Achieving the holevo cap of a pure state classic-quantum channel via unambiguus state discrimination, 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) lk 166–170.

[35] AS Holevo, Kvantkanali läbilaskevõime üldiste signaaliseisunditega, IEEE Trans. Info Theory, 44, 269 (1998).
https://​/​doi.org/​10.1109/​18.651037

[36] Saikat Guha, Struktureeritud optilised vastuvõtjad superaditiivse võimsuse ja aukude piiri saavutamiseks, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton ja JH Shapiro, On quantum limit of Optical communications: Concatenated codes and joint-detection Receivers, 2011. aastal IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings (2011) lk 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari ja Vittorio Giovannetti, mitmefaasilised hadamard-vastuvõtjad klassikaliseks sideks kadudega bosoonikanalitel, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych ja Gerd Leuchs, Koherentsete olekute diskrimineerimise demonstreerimine nihkega juhitava footonite arvu lahutava detektori abil, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych ja Gerd Leuchs, Binaarsete koherentsete olekute eristamine homodüündetektori ja footonite arvu lahutava detektori abil, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden ja N. Gisin, Nonortogonaalsete olekute ühemõtteline kvantmõõtmine, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett ja Erling Riis, Optimaalse üheselt mõistetava seisundi diskrimineerimise eksperimentaalne demonstratsioon, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares ja Matteo GA Paris, Gaussi olekud pidevas muutuva kvantinformatsioonis (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 ja M. Napolitano, Unitaarrühmade esitusteooria uurimine lineaarsete optiliste passiivsete seadmete kaudu, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson ja Alex Arkhipov, Lineaaroptika arvutuslik keerukus, Proceedings of the Forty-third year ACM symposium on Theory of Computing (ACM, 2011), lk 333–342.
https://​/​doi.org/​10.1145/​1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein ja Philip Bertani, Mis tahes diskreetse unitaaroperaatori eksperimentaalne realiseerimine, 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 ja Ian A. Walmsley, Universaalsete mitmepordiliste interferomeetrite optimaalne disain, Optica 3, 1460 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1364/​OPTICA.3.001460

[48] BA Bell ja IA Walmsley, Lineaarsete optiliste üksuste edasine tihendamine, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1063/​5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo ja Ulrik L. Andersen, Quantum vastuvõtja faasinihke võtmeks ühe footoni tasemel, 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 ja Mark M. Wilde, Quantum enigma masinad ja kvantkanali lukustusvõime, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia ja R. Muñoz-Tapia, Identification of talfunctioning quantum devices, arXiv:1808.02729 (2018), https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1808.02729,.1808.02729 arXiv:arXiv:XNUMX.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1808.02729
arXiv:arXiv:1808.02729

[52] Bobak Nazer ja Michael Gastpar, Struktureeritud juhuslike koodide juhtum võrgu läbilaskevõime teoreemides, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Struktureeritud optilised vastuvõtjad superaditiivse võimsuse ja aukude piiri saavutamiseks, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.240502

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

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor ja Sergio Verdu, Kanali kodeerimiskiirus piiratud plokipikkuse režiimis, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair ja Saikat Guha, M-ary Psk järjestikuse lainekuju nullimisvastuvõtja lõpliku koodipikkuse analüüs, 2015. aastal IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) lk 1665–1670.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy ja Andreas Winter, Bosonicu andmete peitmine: lineaarse vs mittelineaarse optika võimsus, arXiv:2102.01622 (2021), https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622, arXiv.2102.01622, arXiv:XNUMX. .
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arXiv:arXiv:2102.01622

[59] Ludovico Lami, Kvantandmete peitmine pidevate muutujate süsteemidega, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.104.052428

Viidatud

[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 Marquard Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro ja Angelo Bassi, “Kvantfüüsika kosmoses”, Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa ja Daniel KL Oi, "Lõplikud võtmeefektid satelliidi kvantvõtmejaotuses" npj Quantum Information 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario ja FE Becerra, "Binaarsete koherentsete olekute optimaalse mitteprojektiivse mõõtmise demonstreerimine footonite loendamisega", npj Quantum Information 8, 84 (2022).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2023-06-01 02:15:37). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

On Crossrefi viidatud teenus teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2023-06-01 02:15:35).

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal