אופטיקה ליניארית וזיהוי צילום משיגים אפליה חד-משמעית של מצב קוהרנטי כמעט אופטימלי

אופטיקה ליניארית וזיהוי צילום משיגים אפליה חד-משמעית של מצב קוהרנטי כמעט אופטימלי

חותמת זמן: 31 במאי 2023 10:12
צומת המקור: 2691519

יסמין ש. סידהו1, מייקל ס. בולוק2, סייקט גוהא2,3, ו קוסמו לופו4,5

1SUPA המחלקה לפיזיקה, אוניברסיטת Strathclyde, גלזגו, G4 0NG, בריטניה
2המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים, אוניברסיטת אריזונה, טוסון, אריזונה 85721, ארה"ב
3המכללה למדעי האופטיקה, אוניברסיטת אריזונה, טוסון, אריזונה 85721, ארה"ב
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, איטליה
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, איטליה

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

מצבים קוהרנטיים של השדה האלקטרומגנטי הקוונטי, התיאור הקוונטי של אור לייזר אידיאלי, הם מועמדים עיקריים בתור נושאי מידע לתקשורת אופטית. גוף גדול של ספרות קיים על ההערכה והאפליה המוגבלת הקוונטית. עם זאת, מעט מאוד ידוע על מימושם המעשי של כונסי נכסים לאפליה חד-משמעית של מדינות (USD) של מדינות קוהרנטיות. כאן אנו ממלאים את הפער הזה ומתארים תיאוריה של USD עם מקלטים המורשים להשתמש: אופטיקה ליניארית רב-מודית פסיבית, תזוזות פאזה-חלל, מצבי ואקום עזר וזיהוי פוטון מופעל. התוצאות שלנו מצביעות על כך שבמשטרים מסוימים, הרכיבים האופטיים הזמינים כיום מספיקים בדרך כלל כדי להשיג הבחנה חד-משמעית כמעט אופטימלית של מצבים קוהרנטיים מרובים, רב-מודדים.

תמונה מומלצת: דוגמה לעיצוב מקלט מפורש באמצעות אופטיקה פסיבית ליניארית מרובת מצבים, פעולות תזוזת שלב-חלל, מצבי ואקום עזר וזיהוי פוטון במצב הפעלה-כיבוי.

סיכום פופולרי

מקלטים משופרים קוונטיים נמצאים בחזית הטכנולוגיות הקוונטיות החדשות. עבור יישומים בתקשורת אופטית, הם מספקים יכולות הבחנה משופרות עבור מצבים קוונטיים מרובים שאינם אורתוגונליים. זה חשוב במיוחד עבור אלפבית מצבים קוהרנטיים חלשים בהתחשב בתפקידם המרכזי כמעבירי מידע בחישה קוונטית, תקשורת ומחשוב. מקלט קוונטי מתוכנן היטב משלב פרקטיות עם ביצועים גבוהים, כאשר האחרון מכמת באמצעות נתון מתאים תלוי-משימה במסגרת של אפליה חד-משמעית של מצבים (USD), מקלטי קוונטי מתוכננים לזהות מצב לא ידוע ללא שגיאות. הביצועים מותאמים במונחים של ההסתברות הממוצעת המינימלית להשגת אירוע לא חד משמעי.

ישנו גוף רחב של ספרות המוקדש לביסוס הגבול העולמי לדולר ארה"ב עבור משפחות שונות של מדינות קוונטיות, כולל תכנות חצי מוגדר ואפילו פתרון אנליטי מדויק שבו הסימטריה במדינות מאפשרת זאת. גישות אלו מספקות תיאורים מתמטיים פורמליים למדידות אופטימליות גלובליות בדולר ארה"ב, אך אינן מספקות מבנה מקלט מפורש או אפשרי. למרבה ההפתעה, מעט מאוד ידוע על מקלטי דולר מעשיים עבור מדינות קוהרנטיות מעבר לקונסטלציות המפתחות להזזת פאזה, והאם הם יכולים להשיג את הגבול הגלובלי.

כדי לסגור את הפער הזה, אנו מבססים תיאוריה חדשה לדולר ארה"ב הפועלת תחת תוכניות מדידה מעשיות. בפרט, המקלטים שלנו ממנפים משאבים מוגבלים בלבד, כגון אופטיקה פסיבית ליניארית מרובת מצבים, פעולות תזוזת שלב-חלל, מצבי ואקום עזר וזיהוי פוטונים במצב הפעלה-כיבוי. אנו מפתחים מחלקות מרובות של מקלטים, כל אחד מתאים למאפיינים ספציפיים של קונסטלציית המצב הקוהרנטית. אנו מיישמים את התיאוריה שלנו על מספר מודולציות של מצבים קוהרנטיים ומדמים את הביצועים לגבולות גלובליים קיימים בדולר ארה"ב. אנו מדגימים שבמשטרים מסוימים, מערך פעולות פיזיות מעשי, אך מוגבל, מספיק בדרך כלל כדי לספק ביצועים כמעט אופטימליים. עבודה זו מקימה מסגרת תיאורטית כדי להבין ולשלוט בתכנון של מקלטים כדי לאפשר USD כמעט אופטימלי של מדינות קוהרנטיות.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard, and N. David Mermin, קריפטוגרפיה קוונטית ללא משפט הפעמון, Phys. הכומר לט. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu ו-Pieter Kok, פרספקטיבה גיאומטרית על הערכת פרמטרים קוונטיים, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu ו-Pieter Kok, מידע על דייג קוונטים לעיוותים מרחביים כלליים של פולטים קוונטיים, 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, et al., Advances in quantum cryptography, Adv. העדיף. פוטון. 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, et al., Advances in space quantum communications, IET Quantum Communication , 1 ( 2021א).
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, et al., קריאה מהירה מבוססת שער של נקודות סיליקון קוונטיות באמצעות הגברה פרמטרית של Josephson, Phys. הכומר לט. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae and Leong-Chuan Kwek, אפליה של מדינות קוונטיות ויישומיה, J. Phys. ת: מתמטיקה. תיאוריה. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir ו-SV Polyakov, מקלטים מעשיים משופרים קוונטיים לתקשורת קלאסית, 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, and Sergey V. Polyakov, הערכת ניסוי של ביטחון מדידה קוונטית, Phys. הכומר לט. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal and Georges Kaddoum, תקשורת אופטית בחלל: אתגרים וטכניקות הפחתה, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, שקילות של תיאורים מכאניים למחצה וקוונטיים של קרני אור סטטיסטיות, Phys. הכומר לט. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, מצבים קוהרנטיים ובלתי קוהרנטיים של שדה הקרינה, Phys. רפ' 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, כיצד להבדיל בין מצבים לא אורתוגונליים, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, חפיפה והבחנה של מצבים קוונטיים, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] אשר פרס ודניאל אר טרנו, הבחנה אופטימלית בין מצבים קוונטיים לא אורתוגונליים, J. Phys. ת: מתמטיקה. ג' 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, גישת תכנות למחצה להבחנה חד-משמעית אופטימלית של מצבים קוונטיים, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / doi.org/â € ‹10.1109 / TIT.2002.807291

[17] אנתוני שפלס, אבחנה חד-משמעית בין מצבים קוונטיים בלתי תלויים באופן ליניארי, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentis, John Calsamiglia, ו-Ramon Muñoz Tapia, זיהוי מדויק של נקודת שינוי קוונטית, Phys. הכומר לט. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato, ו-Tsuyoshi Sasaki Usuda, אפליה חד משמעית מקומית של מצבים טרינריים סימטריים, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentis, Esteban Martínez-Vargas, ו-Ramon Muñoz-Tapia, זיהוי מקוון של מצבים טהורים סימטריים, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery, and János A. Bergou, אבחנה חד-משמעית אופטימלית בין מצבים קוונטיים בלתי-אורתוגונליים בלתי תלויים ליניאריים לבין מימושו האופטי, Phys. ר' א 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik, ואדגר פלדמן, אבחנה חד-משמעית אופטימלית של מצבים קוונטיים טהורים, Phys. הכומר לט. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy, and M. Lax, בדיקה אופטימלית של מספר השערות בתורת זיהוי הקוונטים, IEEE Trans. אינפ. תיאוריה 21, 125 (1975).
https: / doi.org/â € ‹10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, זיהוי קוונטים ותיאוריית האומדן (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin, and T. Mor, cryptography Quantum with states coherent, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, מקלט אופטימלי להצפנה קוונטית עם שני מצבים קוהרנטיים, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, אפליה חד-משמעית של מצבים קוהרנטיים עם אופטיקה ליניארית: יישום להצפנה קוונטית, Phys. ר' א 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma, ו-Norbert Lütkenhaus, אפליה חד-משמעית של מדינה בהצפנה קוונטית עם מצבים קוהרנטיים חלשים, Phys. ר' א 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306

[29] Patrick J. Clarke, Robert J. Collins, Vedran Dunjko, Erika Andersson, John Jeffers, and Gerald S. Buller, הדגמה נסיונית של חתימות דיגיטליות קוונטיות באמצעות מצבי אור קוהרנטיים מקודדים פאזה, נאט. Commun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan, and A. Migdall, יישום מדידות קוונטיות מוכללות להבחנה חד משמעית של מצבים קוהרנטיים מרובים שאינם אורתוגונליים, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, ו- Ulrik L. Andersen, Tomography of a feedback measurement with detection photon, Phys. הכומר לט. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, ו- Ulrik L. Andersen, מדידה מוכללת אדפטיבית להבחנה חד-משמעית של מצבים חד-משמעיים של מצבים קוהרנטיים קוהרנטיים של הסטת פאזה, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario ו-FE Becerra, הדגמה של מדידה לא השלכתית אופטימלית של מצבים קוהרנטיים בינאריים עם ספירת פוטון, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi, and S Guha, השגת יכולת ההולבו של ערוץ מדינה קלאסי-קוונטי טהור באמצעות אפליה חד-משמעית של המדינה, בשנת 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) עמ' 166–170.

[35] AS Holevo, הקיבולת של הערוץ הקוונטי עם מצבי אות כלליים, IEEE Trans. אינפ. תיאוריה 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, מקלטים אופטיים מובנים להשגת קיבולת סופר-אדיטיבית וגבול ה-holevo, Phys. הכומר לט. 106, 240502 (2011א).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton ו-JH Shapiro, על הגבלה קוונטית של תקשורת אופטית: קודים משורשרים ומקלטי זיהוי משותפים, בשנת 2011 IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings (2011) עמ' 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari, ו-Vittorio Giovannetti, מקלטי Hadamard רב-פאזיים לתקשורת קלאסית בערוצים בוזוניים חסרי אובדן, Phys. ר' א 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych, and Gerd Leuchs, הדגמה של אפליה של מדינות קוהרנטיות באמצעות גלאי פתרון מספרי פוטון נשלט על תזוזה, Phys. הכומר לט. 104, 100505 (2010א).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych, and Gerd Leuchs, Diskrimination of binary coherent states using a homodyne detector and a photon resoling detector, Phys. ר' א 81, 062338 (2010ב).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden, and N. Gisin, מדידה קוונטית חד-משמעית של מצבים לא אורתוגונליים, Phys. ר' א 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett, and Erling Riis, הדגמה נסיונית של אפליה חד-משמעית אופטימלית של המדינה, Phys. ר' א 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] אלסנדרו פרארו, סטפנו אוליבארס ומתאו GA פריז, מצבים גאוסיים במידע קוונטי משתנה מתמשך (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, and M. Napolitano, Exploring theory representation of unitary groups through devices aptical linear passive, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] סקוט אהרונסון ואלכס ארקיפוב, המורכבות החישובית של אופטיקה ליניארית, ב-Proceedings of the ארבעים ושלושה השנתי של ACM סימפוזיון על תורת המחשוב (ACM, 2011) עמ' 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] מייקל רק, אנטון זיילינגר, הרברט ג'יי ברנשטיין ופיליפ ברטאני, מימוש ניסיוני של כל אופרטור יחידני דיסקרטי, פיזי. הכומר לט. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[47] William R. Clements, Peter C. Humphreys, Benjamin J. Metcalf, W. Steven Kolthammer, and Ian A. Walmsley, Design Optimal for Universal multiport interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell ו-IA Walmsley, Further Compactifying Unitary optical linear linear, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo, ו- Ulrik L. Andersen, מקלט קוונטי להזנת פאזה ברמת הפוטון היחיד, PRX Quantum 2, 010332 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010332

[50] Saikat Guha, Patrick Hayden, Hari Krovi, Set Lloyd, Cosmo Lupo, Jeffrey H. Shapiro, Masahiro Takeoka, ומארק M. Wilde, מכונות אניגמה קוונטית ויכולת הנעילה של ערוץ קוונטי, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

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

[52] Bobak Nazer ומייקל Gastpar, המקרה לקודים אקראיים מובנים במשפטי קיבולת רשת, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, מקלטים אופטיים מובנים להשגת קיבולת סופר-אדיטיבית וגבול ה-holevo, Phys. הכומר לט. 106, 240502 (2011ב).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor, וסרג'יו Verdu, קצב קידוד ערוץ במשטר אורך הבלוק הסופי, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / doi.org/â € ‹10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair, ו-Saikat Guha, ניתוח אורך קוד סופי של מקלט ה-nulling של צורות הגל הרציפות עבור m-ary psk, בשנת 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) עמ' 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy ו-Andreas Winter, הסתרת נתונים Bosonic: Power of Linear vs non-linear optics, arXiv:2102.01622 (2021), https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622, arXiv:2102.01622X.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arXiv: arXiv: 2102.01622

[59] Ludovico Lami, הסתרת נתונים קוונטיים עם מערכות משתנות רציפות, Phys. ר' א 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

מצוטט על ידי

[1] אלסיו בלנצ'יה, מתאו קרלסו, אומר באירקטאר, דניאלה דקוואל, איבן דרקך, ג'וליו גסברי, ולדמר הר, יינג ליה לי, מרקוס רדאמצ'ר, יאסמנדר סידהו, דניאל KL אוי, סטפן ט. זיידל, ריינר קלטנבאק, כריסטוף מרקווארדט, אנדרה אולסלב אוסבר, אנדרה אולבר, אנדרה ליקוורדן, אנדרה אולבר, אנדרה ליקוורדן, הנדריק לוסבר, אנדרה לוסבר, אנדרה לוסבר. פטרנוסטרו, ואנג'לו באסי, "פיזיקת קוונטים בחלל", דוחות פיזיקה 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa, ו-Daniel KL Oi, "אפקטים מפתח סופיים בהפצת מפתח קוונטי לווייני", npj מידע קוונטי 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario ו-FE Becerra, "הדגמה של מדידה לא השלכתית אופטימלית של מצבים קוהרנטיים בינאריים עם ספירת פוטון", npj מידע קוונטי 8, 84 (2022).

הציטוטים לעיל הם מ- מודעות SAO / NASA (עודכן לאחרונה בהצלחה 2023-06-01 02:15:37). הרשימה עשויה להיות שלמה מכיוון שלא כל בעלי האתרים מספקים נתוני ציטוט ראויים ומלאים.

On השירות המוזכר של קרוסרף לא נמצאו נתונים על ציטוט עבודות (ניסיון אחרון 2023-06-01 02:15:35)

מאמר זה מתפרסם בקוונטים תחת התקציב ייחוס Creative Commons 4.0 הבינלאומי (CC BY 4.0) רישיון. זכויות יוצרים נשארות עם בעלי זכויות היוצרים המקוריים כמו המחברים או מוסדותיהם.

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים