Lineaarinen optiikka ja valontunnistus saavuttavat lähes optimaalisen yksiselitteisen koherentin tilan erottelun

Lineaarinen optiikka ja valontunnistus saavuttavat lähes optimaalisen yksiselitteisen koherentin tilan erottelun

Aikaleima: 31. toukokuuta 2023 klo 10
Lähdesolmu: 2691519

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

1SUPA Fysiikan laitos, Strathclyden yliopisto, Glasgow, G4 0NG, UK
2Sähkö- ja tietokonetekniikan laitos, Arizonan yliopisto, Tucson, Arizona 85721, USA
3College of Optical Sciences, Arizonan yliopisto, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italia
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italia

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Kvanttisähkömagneettisen kentän koherentit tilat, ihanteellisen laservalon kvanttikuvaus, ovat ensisijaisia ​​kandidaatteja optisen viestinnän tiedonvälittäjiksi. Niiden määrällisesti rajoitetusta arvioinnista ja syrjinnästä on olemassa suuri määrä kirjallisuutta. Kuitenkin hyvin vähän tiedetään vastaanottimien käytännön toteutuksista koherenttien tilojen yksiselitteiseen valtion syrjintään (USD). Tässä täytämme tämän aukon ja hahmottelemme USD-teorian vastaanottimilla, joita saa käyttää: passiivista monimuotoista lineaarista optiikkaa, vaihe-avaruuden siirtymiä, apu-tyhjiötilat ja on-off-fotonien tunnistus. Tuloksemme osoittavat, että joissakin järjestelmissä nämä tällä hetkellä saatavilla olevat optiset komponentit ovat tyypillisesti riittäviä saavuttamaan useiden monimuotoisten koherenttien tilojen lähes optimaalinen yksiselitteinen erottelu.

Suositeltu kuva: Esimerkki eksplisiittisestä vastaanottimen suunnittelusta, jossa käytetään monimuotoista lineaarista passiivista optiikkaa, vaihe-avaruuden siirtymätoimintoja, ylimääräisiä tyhjiötiloja ja tilakohtaista on-off-fotonien havaitsemista.

Suosittu yhteenveto

Kvanttitehosteiset vastaanottimet ovat uusien kvanttiteknologioiden kärjessä. Optisen viestinnän sovelluksissa ne tarjoavat parannetut erotteluominaisuudet useille ei-ortogonaalisille kvanttitiloille. Tämä on erityisen tärkeää heikoille koherenteille tilaaakkostoille, koska niillä on keskeinen rooli tiedon välittäjinä kvanttitunnistuksessa, viestinnässä ja laskennassa. Hyvin suunnitellussa kvanttivastaanottimessa yhdistyy käytännöllisyys korkeaan suorituskykyyn, jossa jälkimmäinen kvantifioidaan sopivalla tehtävästä riippuvalla ansioluvulla Yksiselitteisen tilan erottelun (USD) puitteissa kvanttivastaanottimet on suunniteltu tunnistamaan tuntematon tila ilman virhettä ja sen suorituskykyä verrataan epäselvän tapahtuman saavuttamisen keskimääräiseen vähimmäistodennäköisyyteen.

USD:n globaalien rajoitusten määrittämiseen kvanttitilojen eri perheille on omistettu laaja määrä kirjallisuutta, mukaan lukien puolimääräinen ohjelmointi ja jopa tarkka analyyttinen ratkaisu, jos tilojen symmetria sen sallii. Nämä lähestymistavat tarjoavat muodollisia matemaattisia kuvauksia maailmanlaajuisesti optimaalisille USD-mittauksille, mutta ne eivät tarjoa selkeää tai toteuttamiskelpoista vastaanotinrakennetta. Yllättäen hyvin vähän tiedetään käytännöllisistä USD-vastaanottimista koherenttien tilojen vaihesiirtoavainkonstellaatioiden ulkopuolella ja siitä, voivatko ne saavuttaa globaalit rajat.

Tämän kuilun kuromiseksi luomme USD:lle uuden teorian, joka toimii käytännön mittausmenetelmien mukaisesti. Erityisesti vastaanottimemme hyödyntävät vain rajoitettuja resursseja, kuten monimuotoista lineaarista passiivista optiikkaa, vaihe-avaruuden siirtymätoimintoja, aputyhjiötiloja ja tilakohtaista on-off-fotonien havaitsemista. Kehitämme useita vastaanotinluokkia, joista jokainen sopii koherentin tilakonstellaatioon tiettyihin ominaisuuksiin. Käytämme teoriaamme useisiin koherentin tilan modulaatioihin ja vertaamme suorituskykyä USD:n olemassa oleviin globaaleihin rajoihin. Osoitamme, että joissakin järjestelmissä tämä käytännöllinen, mutta rajoitettu fyysisten toimintojen joukko riittää tyypillisesti saavuttamaan lähes optimaalisen suorituskyvyn. Tämä työ luo teoreettisen kehyksen vastaanottimien suunnittelun ymmärtämiseksi ja hallitsemiseksi, jotta koherenttien tilojen USD-arvot ovat lähes optimaaliset.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard ja N. David Mermin, Quantum cryptography without bell’s theorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu ja Pieter Kok, Geometrinen näkökulma kvanttiparametrien estimointiin, 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 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, U. L. Andersen, L. Banchi, M. Berta, D. Bunandar, R. Colbeck, D. Englund, T. Gehring, C. Lupo, C. Ottaviani, et ai., Advances in quantum cryptography, Adv. Valita. Fotoni. 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 ym., Advances in space quantum communications, IET Quantum Communication , 1 2021a).
https://​/​doi.org/​10.1049/​qtc2.12015

[6] S. Schaal, I. Ahmed, J. A. Haigh, L. Hutin, B. Bertrand, S. Barraud, M. Vinet, C.-M. Lee, N. Stelmashenko, J. W. A. ​​Robinson, et ai., Fast gate-based readout of Silicon quantum dots using josephson parametric amplification, 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: Matematiikka. Teoria. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] I. A. Burenkov, M. V. Jabir ja S. V. Polyakov, Practical quantum-enhanced Receivers for classical communication, 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, M. V. Jabir, Michael Wayne, Abdella Battou ja Sergey V. Polyakov, Experimental shot-by-shot estimation of quantum mittausluottamuksesta, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal ja Georges Kaddoum, Optinen viestintä avaruudessa: haasteet ja lieventämistekniikat, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] E. C. G. Sudarshan, Tilastollisten valonsäteiden puoliklassisten ja kvanttimekaanisten kuvausten ekvivalenssi, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Säteilykentän koherentit ja epäkoherentit tilat, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] I. D. Ivanovic, Kuinka erottaa ei-ortogonaaliset tilat, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

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

[15] Asher Peres ja Daniel R Terno, Optimaalinen ero ei-ortogonaalisten kvanttitilojen välillä, J. Phys. V: Matematiikka. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] Y.C. Eldar, Puolimääräisen ohjelmoinnin lähestymistapa kvanttitilojen optimaaliseen yksiselitteiseen erotteluun, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Yksiselitteinen ero lineaarisesti riippumattomien kvanttitilojen välillä, 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, Kvanttimuutospisteen tarkka tunnistus, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato ja Tsuyoshi Sasaki Usuda, Paikallinen yksiselitteinen symmetristen kolmitilojen syrjintä, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas ja Ramon Muñoz-Tapia, Online-tunnistus symmetrisistä puhtaista tiloista, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery ja János A. Bergou, Optimaalinen yksiselitteinen erottelu lineaarisesti riippumattomien ei-nortogonaalisten kvanttitilojen ja sen optisen toteutumisen välillä, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik ja Edgar Feldman, Optimaalinen yksiselitteinen puhtaiden kvanttitilojen erottelu, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 2012 (XNUMX).
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. 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 ja T. Mor, Quantum cryptography with koherent states, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimaalinen vastaanotin kvanttisalaukseen, jossa on kaksi koherenttia tilaa, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] S. J. van Enk, Koherenttien tilojen yksiselitteinen tilan erottelu lineaarioptiikalla: Sovellus kvanttisalaukseen, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma ja Norbert Lütkenhaus, Yksiselitteinen tilaerottelu kvanttisalauksessa heikkojen koherenttien tilojen kanssa, 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, Kvanttidigitaalisen allekirjoituksen kokeellinen demonstraatio vaihekoodattujen koherenttien valotilojen avulla, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] F. E. Becerra, J. Fan ja A. Migdall, Yleistettyjen kvanttimittausten toteuttaminen useiden ei-ortogonaalisten koherenttien tilojen yksiselitteiseen erotteluun, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen ja Ulrik L. Andersen, Tomografia palautemittauksesta fotonien ilmaisulla, 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, Adaptiivinen yleistetty mittaus kvaternaaristen vaihesiirto-avainnuskoherenttien tilojen yksiselitteiseen tilan erotteluun, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] M. T. DiMario ja F. E. Becerra, Demonstration optimaalisen ei-projektiivisen binäärikoherenttien tilojen mittaamisesta fotonien laskennalla, 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 kapasiteetin puhtaan olomuodon klassis-kvanttikanavan kautta yksiselitteisen tiladiskriminoinnin kautta, vuonna 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) s. 166–170.

[35] KUTEN. Holevo, Kvanttikanavan kapasiteetti yleisillä signaalitiloilla, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / +18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturoidut optiset vastaanottimet superadditiivisen kapasiteetin ja holevo-rajan saavuttamiseksi, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari ja Vittorio Giovannetti, monivaiheiset hadamard-vastaanottimet klassiseen viestintään häviöllisillä bosonikanavilla, 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, Koherentin tilan erottelun osoittaminen käyttämällä siirtymäohjattua fotonien lukumäärän erottavaa ilmaisinta, 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, Discrimination of binary koherents states using a homodyne detector and foton number Resoluting detector, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, J. D. Gautier, H. Zbinden ja N. Gisin, Unambiguous quantum mittaus ei-northogonal states, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger B. M. Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett ja Erling Riis, Optimaalisen yksiselitteisen valtion syrjinnän kokeellinen esitys, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares ja Matteo G. A. Paris, Gaussin tilat jatkuvassa muuttuvassa kvanttitiedossa (Bibliopolis (Napoli), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
arXiv: kvant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo ja M. Napolitano, Exploring representation theory of unitary group via linear optical passive devices, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson ja Alex Arkhipov, Lineaarisen optiikan laskennallinen monimutkaisuus, julkaisussa Proceedings of the 2011-th year 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 ja Philip Bertani, Minkä tahansa erillisen unitaarioperaattorin kokeellinen toteutus, 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, Optimal design for universal multiport interferometrs, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] B. A. Bell ja I. A. Walmsley, Forther compactifying linear optical unitries, 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-vastaanotin vaihesiirtoavainnukseen yksifotonitasolla, 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 -koneet ja kvanttikanavan lukituskapasiteetti, 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, Viallisten kvanttilaitteiden tunnistaminen, 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, Strukturoitujen satunnaiskoodien tapaus verkon kapasiteettiteoreemoissa, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturoidut optiset vastaanottimet superadditiivisen kapasiteetin ja holevo-rajan saavuttamiseksi, 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. painos, Voi. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor ja Sergio Verdu, Kanavan koodausnopeus rajallisessa lohkopituusjärjestelmässä, 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:n peräkkäisen aaltomuodon nollausvastaanottimen rajallinen koodinpituusanalyysi, vuonna 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015), s. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy ja Andreas Winter, Bosonic-tietojen piilottaminen: lineaarisen vs. epälineaarisen optiikan teho, arXiv:2102.01622 (2021), https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622, arXiv.2102.01622, arXiv:XNUMX:XNUMX. .
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arXiv: arXiv: +2102.01622

[59] Ludovico Lami, Kvanttidatan piilottaminen jatkuvien muuttujien järjestelmillä, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Viitattu

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

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa ja Daniel K. L. Oi, "Rajalliset avainefektit satelliittien kvanttiavainten jakelussa", npj kvanttitiedot 8, 18 (2022).

[3] M. T. DiMario ja F. E. Becerra, "Demonstration of Optimal non-Projective mittaus binary koherents states with photon counting", npj kvanttitiedot 8, 84 (2022).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-06-01 02:15:37). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2023-06-01 02:15:35).

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal