L'optique linéaire et la photodétection permettent d'obtenir une discrimination d'état cohérente sans ambiguïté quasi optimale

L'optique linéaire et la photodétection permettent d'obtenir une discrimination d'état cohérente sans ambiguïté quasi optimale

Horodatage: 31 mai 2023, 10 h 12
Nœud source: 2691519

Jasminder S. Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saïkat Guha2,3et Cosmo Lupo4,5

1Département de physique SUPA, Université de Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Royaume-Uni
2Département de génie électrique et informatique, Université de l'Arizona, Tucson, Arizona 85721, États-Unis
3College of Optical Sciences, The University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, États-Unis
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italie
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italie

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Abstract

Les états cohérents du champ électromagnétique quantique, la description quantique de la lumière laser idéale, sont des candidats privilégiés comme supports d'informations pour les communications optiques. Il existe un vaste corpus de littérature sur leur estimation et leur discrimination quantiquement limitées. Cependant, on sait très peu de choses sur les réalisations pratiques des récepteurs pour la discrimination étatique sans ambiguïté (USD) des États cohérents. Nous comblons ici cette lacune et décrivons une théorie de l'USD avec des récepteurs autorisés à utiliser : une optique linéaire multimode passive, des déplacements dans l'espace de phase, des modes de vide auxiliaires et une détection de photons marche-arrêt. Nos résultats indiquent que, dans certains régimes, ces composants optiques actuellement disponibles sont généralement suffisants pour obtenir une discrimination sans ambiguïté quasi optimale de plusieurs états cohérents multimodes.

Image présentée : Exemple de conception de récepteur explicite utilisant une optique passive linéaire multimode, des opérations de déplacement dans l'espace de phase, des modes de vide auxiliaires et une détection de photons marche-arrêt par mode.

Résumé populaire

Les récepteurs quantiques sont à l’avant-garde des nouvelles technologies quantiques. Pour les applications dans les communications optiques, ils offrent des capacités discriminatoires améliorées pour plusieurs états quantiques non orthogonaux. Ceci est particulièrement important pour les alphabets d’états peu cohérents, étant donné leur rôle central en tant que supports d’informations dans la détection quantique, la communication et l’informatique. Un récepteur quantique bien conçu allie praticité et hautes performances, ces dernières étant quantifiées via un facteur de mérite approprié dépendant de la tâche. Dans le cadre de la discrimination d'état sans ambiguïté (USD), les récepteurs quantiques sont conçus pour identifier sans erreur un état inconnu et ses la performance est évaluée en termes de probabilité moyenne minimale d’obtenir un événement non concluant.

Il existe un vaste corpus de littérature consacré à l'établissement de la limite mondiale de l'USD pour différentes familles d'états quantiques, y compris la programmation semi-définie et même la solution analytique exacte lorsque la symétrie des états le permet. Ces approches fournissent des descriptions mathématiques formelles pour les mesures USD globalement optimales, mais ne parviennent pas à fournir une construction de récepteur explicite ou réalisable. Étonnamment, on sait très peu de choses sur les récepteurs USD pratiques pour les états cohérents au-delà des constellations de modulation par déphasage, et sur leur capacité à atteindre les limites mondiales.

Pour combler cet écart, nous établissons une nouvelle théorie pour le dollar américain qui fonctionne selon des schémas de mesure pratiques. En particulier, nos récepteurs n'exploitent que des ressources limitées, telles que l'optique passive linéaire multimode, les opérations de déplacement dans l'espace de phase, les modes de vide auxiliaires et la détection de photons marche-arrêt par mode. Nous développons plusieurs classes de récepteurs, chacune adaptée à des propriétés spécifiques de la constellation d'états cohérents. Nous appliquons notre théorie à un certain nombre de modulations d’états cohérents et comparons les performances aux limites mondiales existantes du dollar américain. Nous démontrons que dans certains régimes, cet ensemble d’opérations physiques pratiques, mais restreintes, est généralement suffisant pour fournir des performances quasi optimales. Ce travail établit un cadre théorique pour comprendre et maîtriser la conception des récepteurs afin de permettre une USD quasi optimale d'états cohérents.

► Données BibTeX

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Cité par

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[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa et Daniel KL Oi, « Effets clés finis dans la distribution des clés quantiques par satellite », npj Informations quantiques 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario et FE Becerra, « Démonstration de mesure non projective optimale d'états binaires cohérents avec comptage de photons », npj Informations quantiques 8, 84 (2022).

Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2023-06-01 02:15:37). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

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