L'ottica lineare e il fotorilevamento raggiungono una discriminazione di stato coerente e non ambigua quasi ottimale

L'ottica lineare e il fotorilevamento raggiungono una discriminazione di stato coerente e non ambigua quasi ottimale

Timestamp: 31 maggio 2023 10:12
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Gelsomino S. Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saikat Guha2,3e Cosmo Lupo4,5

1Dipartimento di Fisica SUPA, Università di Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Regno Unito
2Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Università dell'Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
3College of Optical Sciences, Università dell'Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico e Università di Bari, 70126 Bari, Italia
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italia

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Astratto

Gli stati coerenti del campo elettromagnetico quantistico, la descrizione quantistica della luce laser ideale, sono i primi candidati come vettori di informazioni per le comunicazioni ottiche. Esiste un ampio corpus di letteratura sulla loro stima e discriminazione quantistica. Tuttavia, si sa molto poco circa le realizzazioni pratiche dei destinatari della discriminazione statale inequivocabile (USD) degli Stati coerenti. Qui colmiamo questa lacuna e delineiamo una teoria dell'USD con ricevitori che possono impiegare: ottica lineare multimodale passiva, spostamenti nello spazio delle fasi, modalità di vuoto ausiliario e rilevamento di fotoni on-off. I nostri risultati indicano che, in alcuni regimi, questi componenti ottici attualmente disponibili sono in genere sufficienti per ottenere una discriminazione inequivocabile quasi ottimale di stati coerenti multipli e multimodali.

Immagine in primo piano: esempio di un progetto di ricevitore esplicito che utilizza ottica passiva lineare multimodale, operazioni di spostamento nello spazio delle fasi, modalità di vuoto ausiliario e rilevamento di fotoni on-off in base alla modalità.

Riepilogo popolare

I ricevitori potenziati quantistici sono all’avanguardia delle nuove tecnologie quantistiche. Per le applicazioni nelle comunicazioni ottiche, forniscono capacità discriminatorie migliorate per più stati quantistici non ortogonali. Ciò è particolarmente importante per gli alfabeti a stati coerenti deboli, dato il loro ruolo fondamentale come portatori di informazioni nel rilevamento quantistico, nella comunicazione e nell’informatica. Un ricevitore quantistico ben progettato combina praticità con prestazioni elevate, dove queste ultime sono quantificate attraverso un'adeguata figura di merito dipendente dal compito. Nell'ambito della discriminazione di stato univoca (USD), i ricevitori quantistici sono progettati per identificare uno stato sconosciuto senza errori e il suo la performance è misurata in termini di probabilità media minima di ottenere un evento inconcludente.

Esiste un’ampia letteratura dedicata alla definizione del limite globale per l’USD per diverse famiglie di stati quantistici, inclusa la programmazione semidefinita e persino la soluzione analitica esatta dove la simmetria negli stati lo consente. Questi approcci forniscono descrizioni matematiche formali per misurazioni USD ottimali a livello globale, ma non riescono a fornire una costruzione del ricevitore esplicita o fattibile. Sorprendentemente, si sa molto poco sui ricevitori pratici di USD per stati coerenti al di là delle costellazioni di key-shift keying, e se possono raggiungere i limiti globali.

Per colmare questo divario, stabiliamo una nuova teoria per l’USD che opera secondo schemi di misurazione pratici. In particolare, i nostri ricevitori sfruttano solo risorse limitate, come l'ottica passiva lineare multimodale, le operazioni di spostamento nello spazio delle fasi, le modalità di vuoto ausiliarie e il rilevamento di fotoni on-off in base alla modalità. Sviluppiamo molteplici classi di ricevitori, ciascuno adatto a proprietà specifiche della costellazione di stati coerenti. Applichiamo la nostra teoria a una serie di modulazioni di stato coerente e confrontiamo la performance con i limiti globali esistenti sull’USD. Dimostriamo che in alcuni regimi questo insieme pratico, ma limitato, di operazioni fisiche è in genere sufficiente per fornire prestazioni quasi ottimali. Questo lavoro stabilisce un quadro teorico per comprendere e padroneggiare la progettazione dei ricevitori per consentire un USD quasi ottimale di stati coerenti.

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Citato da

[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 Marquardt, Hendrik Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro e Angelo Bassi, “Fisica quantistica nello spazio”, Rapporti di fisica 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa e Daniel KL Oi, "Effetti chiave finiti nella distribuzione delle chiavi quantistiche satellitari", npj Informazioni quantistiche 8, 18 (2022).

[3] M. T. DiMario e F. E. Becerra, “Dimostrazione della misurazione ottimale non proiettiva di stati coerenti binari con conteggio di fotoni”, npj Informazioni quantistiche 8, 84 (2022).

Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-06-01 02:15:37). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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