A lineáris optika és a fotodetektálás közel optimális, egyértelmű koherens állapot megkülönböztetést tesz lehetővé

A lineáris optika és a fotodetektálás közel optimális, egyértelmű koherens állapot megkülönböztetést tesz lehetővé

Forrás csomópont: 2691519

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

1SUPA Fizikai Tanszék, Strathclyde Egyetem, Glasgow, G4 0NG, Egyesült Királyság
2Elektromos és Számítástechnikai Tanszék, Arizonai Egyetem, Tucson, Arizona 85721, USA
3College of Optical Sciences, Arizonai Egyetem, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Olaszország
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Olaszország

Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.

Absztrakt

A kvantumelektromágneses tér koherens állapotai, az ideális lézerfény kvantumleírása, az optikai kommunikáció első számú információhordozója. Számtalan irodalom létezik a kvantumkorlátozott becslésükről és megkülönböztetésükről. Nagyon keveset tudunk azonban a vevők gyakorlati megvalósításáról a koherens államok egyértelmű állapot szerinti megkülönböztetésére (USD). Itt pótoljuk ezt a hiányosságot, és felvázoljuk az USD elméletét olyan vevőkkel, amelyek használhatók: passzív többmódusú lineáris optika, fázistér-eltolódások, segédvákuum módok és ki-be foton érzékelés. Eredményeink azt mutatják, hogy egyes rezsimekben ezek a jelenleg elérhető optikai komponensek jellemzően elegendőek a több, többmódusú koherens állapot közel optimális, egyértelmű megkülönböztetéséhez.

A kvantumtechnológiás vevőkészülékek az új kvantumtechnológiák élvonalába tartoznak. Az optikai kommunikációs alkalmazásokhoz továbbfejlesztett megkülönböztető képességet biztosítanak több nem ortogonális kvantumállapothoz. Ez különösen fontos a gyenge koherens állapotú ábécék esetében, mivel ezek kulcsfontosságú szerepet töltenek be információhordozóként a kvantumérzékelésben, a kommunikációban és a számítástechnikában. A jól megtervezett kvantumvevő a praktikum és a nagy teljesítménnyel ötvözi, ahol ez utóbbit egy megfelelő, feladattól függő érdemi számon keresztül számszerűsítik Az egyértelmű állapot-diszkrimináció (USD) keretein belül a kvantumvevők úgy vannak kialakítva, hogy hiba nélkül azonosítsák az ismeretlen állapotot és annak a teljesítményt a nem meggyőző esemény bekövetkezésének minimális átlagos valószínűsége alapján mérik.

Számos szakirodalom foglalkozik az USD globális korlátjának meghatározásával a kvantumállapotok különböző családjaira, beleértve a félig meghatározott programozást és még pontos analitikai megoldásokat is, ahol az állapotok szimmetriája megengedi. Ezek a megközelítések formális matematikai leírásokat adnak a globálisan optimális USD-mérésekhez, de nem nyújtanak egyértelmű vagy megvalósítható vevőkonstrukciót. Meglepő módon nagyon keveset tudunk a fáziseltolásos kulcskonstellációkon túlmutató koherens állapotok praktikus USD-vevőiről, és arról, hogy képesek-e elérni a globális határokat.

Ennek a szakadéknak a megszüntetésére új elméletet dolgozunk ki az USD-re, amely gyakorlati mérési sémák szerint működik. Vevőink különösen korlátozott erőforrásokat használnak fel, mint például a többmódusú lineáris passzív optika, a fázistér eltolási műveletek, a segédvákuum üzemmódok és az üzemmód szerinti ki-be fotonészlelés. Több vevőosztályt fejlesztünk, amelyek mindegyike a koherens állapotkonstelláció meghatározott tulajdonságaihoz igazodik. Elméletünket számos koherens állapotú modulációra alkalmazzuk, és a teljesítményt az USD jelenlegi globális korlátaihoz viszonyítjuk. Bemutatjuk, hogy egyes rezsimekben ez a gyakorlatias, de korlátozott fizikai műveletsor általában elegendő az optimálishoz közeli teljesítmény eléréséhez. Ez a munka elméleti keretet hoz létre a vevők tervezésének megértéséhez és elsajátításához, hogy lehetővé tegye a koherens állapotok közel optimális USD-t.

► BibTeX adatok

► Referenciák

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard és 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 és Pieter Kok, Geometriai perspektíva a kvantumparaméter-becsléshez, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1116/​1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu és 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 és munkatársai, Advances in quantum cryptography, Adv. Dönt. 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 és társai, Advances in space kvantumkommunikáció, 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 és munkatársai, Szilícium kvantumpontok gyorskapu-alapú kiolvasása josephson parametrikus erősítéssel, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.067701

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

[8] IA Burenkov, MV Jabir és SV Polyakov, Praktikus kvantumerősített vevőkészülékek klasszikus kommunikációhoz, 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 és Sergey V. Polyakov, Experimental shot-by-shot estimation of quantum mérési megbízhatóság, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal és Georges Kaddoum, Optikai kommunikáció az űrben: Kihívások és mérséklési technikák, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Statisztikai fénynyalábok szemiklasszikus és kvantummechanikai leírásainak egyenértékűsége, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963)].
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber: A sugárzási mező koherens és inkoherens állapotai, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Hogyan lehet megkülönböztetni a nem ortogonális állapotokat, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Kvantumállapotok átfedése és megkülönböztethetősége, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres és Daniel R. Terno, Optimális megkülönböztetés a nem ortogonális kvantumállapotok között, J. Phys. V: Matek. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, A félig meghatározott programozási megközelítés a kvantumállapotok optimális, egyértelmű megkülönböztetéséhez, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles: Egyértelmű megkülönböztetés a lineárisan független kvantumállapotok között, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia és Ramon Muñoz Tapia, A kvantumváltozási pont pontos azonosítása, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato és Tsuyoshi Sasaki Usuda, A szimmetrikus hármas állapotok helyi egyértelmű megkülönböztetése, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas és Ramon Muñoz-Tapia, Szimmetrikus tiszta állapotok online azonosítása, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery és János A. Bergou, Optimum unambiguous discrimination between lineárisan független nemnortogonális kvantumállapotok és optikai megvalósítása, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik, and Edgar Feldman, Optimal unambiguous discrimination of pure quantum states, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy és M. Lax, Optimum testing of multiple hypothesis 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 és T. Mor, Quantum cryptography with koherent states, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimális vevő két koherens állapotú kvantumkriptográfiához, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Koherens állapotok egyértelmű állapotmegkülönböztetése lineáris optikával: Alkalmazás a kvantumkriptográfiára, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma és Norbert Lütkenhaus, Egyértelmű állapotdiszkrimináció gyenge koherens állapotokkal rendelkező kvantumkriptográfiában, 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 és Gerald S. Buller, Kvantum digitális aláírások kísérleti bemutatása fáziskódolt koherens fényállapotok használatával, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan és A. Migdall, Általánosított kvantummérések megvalósítása több nem ortogonális koherens állapot egyértelmű megkülönböztetésére, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms3028

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

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen és Ulrik L. Andersen, Adaptív általánosított mérés a kvaterner fáziseltolásos koherens állapotok egyértelmű állapotmegkülönböztetésére, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario és FE Becerra, Bináris koherens állapotok optimális, nem projektív mérésének demonstrációja fotonszámlálással, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi és S Guha: Egy tiszta állapotú klasszikus-kvantumcsatorna lyukapacitásának elérése egyértelmű állapotdiszkrimináció révén, 2013-ban IEEE International Symposium on Information Theory (2013) 166–170. o.

[35] AS Holevo, A kvantumcsatorna kapacitása általános jelállapotokkal, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https://​/​doi.org/​10.1109/​18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturált optikai vevők a szuperadditív kapacitás és a lyukhatár eléréséhez, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.240502

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

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari és Vittorio Giovannetti, többfázisú hadamard vevőkészülékek klasszikus kommunikációhoz veszteséges bozonikus csatornákon, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych és Gerd Leuchs, Koherens állapotú diszkrimináció demonstrálása elmozdulásvezérelt fotonszám-feloldó detektor használatával, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych és Gerd Leuchs: A bináris koherens állapotok megkülönböztetése homodindetektor és fotonszám-feloldó detektor segítségével, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden és N. Gisin: Nem nortogonális állapotok egyértelmű kvantummérése, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett és Erling Riis, Az optimális, egyértelmű állami megkülönböztetés kísérleti demonstrációja, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares és Matteo GA Paris, Gauss-állapotok folytonos változó kvantuminformációiban (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 és M. Napolitano, Exploring representation theory of unitary group via lineáris optikai passzív eszközök, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson és Alex Arkhipov, A lineáris optika számítási komplexitása, Proceedings of the forty-thed year ACM symposium on Theory of Computing (ACM, 2011), 333–342. o.
https://​/​doi.org/​10.1145/​1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein és Philip Bertani, Bármely diszkrét unitárius operátor kísérleti megvalósítása, 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 és Ian A. Walmsley, Optimális tervezés univerzális többportos interferométerekhez, Optica 3, 1460 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1364/​OPTICA.3.001460

[48] BA Bell és IA Walmsley, Lineáris optikai egységek további tömörítése, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1063/​5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo és Ulrik L. Andersen, Quantum vevő fáziseltolásos kulcsozáshoz egyfoton szinten, 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 és Mark M. Wilde, Quantum enigma machines and the locking kapacitása kvantumcsatorna, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia és R. Muñoz-Tapia, Hibás kvantumeszközök azonosítása, 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 és Michael Gastpar, A strukturált véletlen kódok esete hálózati kapacitás-tételekben, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturált optikai vevők a szuperadditív kapacitás és a lyukhatár eléréséhez, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.240502

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

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor és Sergio Verdu, Csatorna kódolási sebessége véges blokkhosszú rendszerben, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair és Saikat Guha, M-ary Psk szekvenciális hullámforma nullázó vevőjének véges kódhossz-elemzése, 2015-ben IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) 1665–1670.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy és Andreas Winter, Bosonic adatrejtés: lineáris és nemlineáris optika ereje, 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, Kvantumadatok elrejtése folytonos változó rendszerekkel, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.104.052428

Idézi

[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. Hendhel Seidel, Rainer Kaltenbaek, Christoph Marquard Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro és Angelo Bassi, „Quantum physics in space”, Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa és Daniel KL Oi, „Véges kulcseffektusok a műholdas kvantumkulcs-elosztásban”, npj Quantum Information 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario és FE Becerra, „Bináris koherens állapotok optimális nem projektív mérésének bemutatása fotonszámlálással”, npj Quantum Information 8, 84 (2022).

A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2023-06-01 02:15:37). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.

On Crossref által idézett szolgáltatás művekre hivatkozó adat nem található (utolsó próbálkozás 2023-06-01 02:15:35).

Időbélyeg:

Még több Quantum Journal