線形光学と光検出により、ほぼ最適な明確なコヒーレント状態識別が実現します。

線形光学と光検出により、ほぼ最適な明確なコヒーレント状態識別が実現します。

タイムスタンプ：31年2023月10日12:XNUMX AM
ソースノード： 2691519

ジャスミンダーS.シドゥ1, マイケル・S・ブロック2, サイカットグハ2,3, コスモルポ4,5

1SUPA 物理学科、ストラスクライド大学、グラスゴー、G4 0NG、英国
2アリゾナ大学電気およびコンピュータ工学部、アリゾナ州ツーソン、米国 85721
3アリゾナ大学光学科学部、ツーソン、アリゾナ州 85721、米国
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italy
5INFN、Sezione di Bari、70126 バーリ、イタリア

この論文を興味深いと思うか、議論したいですか？ SciRateを引用するかコメントを残す.

抽象

量子電磁場のコヒーレント状態、つまり理想的なレーザー光の量子記述は、光通信の情報担体としての主な候補です。 量子限定の推定と識別に関しては、大量の文献が存在します。 しかし、コヒーレント状態の一義的な状態識別 (USD) のための受信機の実際的な実現についてはほとんど知られていません。 ここでは、このギャップを埋め、パッシブマルチモード線形光学、位相空間変位、補助真空モード、およびオンオフ光子検出の使用が許可されている受信機を備えた USD の理論を概説します。 我々の結果は、いくつかの領域では、これらの現在入手可能な光学コンポーネントが、複数のマルチモードコヒーレント状態のほぼ最適な明確な識別を達成するのに通常十分であることを示している。

注目の画像: マルチモード線形受動光学系、位相空間変位演算、補助真空モード、およびモードごとのオン/オフ光子検出を使用した明示的受信機設計の例。

人気の要約

量子強化受信機は、新しい量子技術の先駆者です。 光通信のアプリケーションでは、複数の非直交量子状態の識別能力が向上します。 これは、量子センシング、通信、コンピューティングにおける情報媒体としての重要な役割を考慮すると、弱いコヒーレント状態のアルファベットにとって特に重要です。 適切に設計された量子受信機は実用性と高性能を兼ね備えており、後者は適切なタスク依存の性能指数によって定量化されます。一義的な状態識別 (USD) の枠組み内で、量子受信機は未知の状態をエラーなく識別し、その状態を識別するように設計されています。パフォーマンスは、決定的でないイベントを取得する最小平均確率の観点からベンチマークされます。

半正定計画法や、状態の対称性が許す厳密な解析解法など、さまざまな量子状態族に対する USD のグローバル境界を確立することに特化した幅広い文献が存在します。 これらのアプローチは、全体的に最適な USD 測定の正式な数学的記述を提供しますが、明示的または実行可能な受信機構造を提供するには至っていません。 驚くべきことに、位相シフトキーイングコンスタレーションを超えたコヒーレント状態に対する実用的な USD 受信機についてはほとんど知られておらず、それらがグローバルな限界を達成できるかどうかもわかっていません。

このギャップを埋めるために、実際の測定スキームに基づいて機能する USD の新しい理論を確立します。 特に、当社の受信機は、マルチモード線形受動光学、位相空間変位操作、補助真空モード、モードごとのオン/オフ光子検出など、限られたリソースのみを活用しています。 私たちは、それぞれがコヒーレント状態コンスタレーションの特定の特性に適した複数のクラスの受信機を開発します。 私たちは理論を多数のコヒーレント状態変調に適用し、USD の既存のグローバル境界に対するパフォーマンスをベンチマークします。 私たちは、一部の領域では、この実用的ではあるが制限された一連の物理操作で、通常、最適に近いパフォーマンスを実現するのに十分であることを実証します。 この研究は、コヒーレント状態のほぼ最適な USD を可能にする受信機の設計を理解し、習得するための理論的枠組みを確立します。

►BibTeXデータ

►参照

【1] Charles H. Bennett、Gilles Brassard、および N. David Mermin、ベルの定理を使用しない量子暗号、Phys. レット牧師。 68, 557 (1992)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

【2] Jasminder S. Sidhu および Pieter Kok、量子パラメータ推定に関する幾何学的観点、AVS Quantum Science 2、014701 (2020)。
https：/ / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

【3] Jasminder S. Sidhu および Pieter Kok、量子エミッターの一般的な空間変形に関する量子フィッシャー情報、ArXiv (2018)、https://doi.org/10.48550/arXiv.1802.01601、arXiv:1802.01601 [quant-ph] 。
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 他、Advances in quantum cryptography、Adv. オプション。 光子。 12 年 1012 月 (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 他、空間量子通信の進歩、IET 量子通信、1 ( 2021a)。
https:/ / doi.org/ 10.1049/ qtc2.12015

【6] S. シャール、I. アーメッド、JA ヘイグ、L. フーティン、B. ベルトラン、S. バロー、M. ヴィネット、C.-M。 Lee、N. Stelmashenko、JWA Robinson、他、ジョセフソンパラメトリック増幅を使用したシリコン量子ドットの高速ゲートベースの読み出し、Phys. レット牧師。 124、067701 (2020)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

【7] Joonwoo Bae および Leong-Chuan Kwek、量子状態識別とその応用、J. Phys. A: 数学です。 理論。 48、083001 (2015)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

【8] IA Burenkov、MV Jabir、SV Polyakov、古典通信用の実用的な量子強化受信機、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、および Sergey V. Polyakov、実験による量子測定の信頼性のショットごとの推定、Phys. レット牧師。 128、040404 (2022)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

【10] Hemani Kaushal および Georges Kaddoum、「宇宙における光通信: 課題と軽減技術」、IEEE Communications Surveys & Tutorials 19、57 (2017)。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

【11] ECG Sudarshan、統計的光線の半古典的および量子力学的記述の等価性、Phys. レット牧師。 10、277 (1963)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

【12] Roy J. Glauber、放射線場のコヒーレント状態とインコヒーレント状態、Phys. 改訂 131、2766 (1963)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

【13] ID Ivanovic、非直交状態を区別する方法、Phys. レット。 A 123、257 (1987)。
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

【14] D. Dieks、量子状態の重複と識別可能性、Phys. レット。 A 126、303 (1988)。
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

【15] Asher Peres および Daniel R Terno、非直交量子状態間の最適区別、J. Phys. A: 数学です。 Gen. 31、7105 (1998)。
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

【16] YC Eldar、「量子状態の最適な明確な識別に対する半正定プログラミング アプローチ」、IEEE Transactions on Information Theory 49、446 (2003)。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

【17] Anthony Chefles、「線形独立量子状態間の明確な区別」、Physics Letters A 239、339 (1998)。
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

【18] Gael Sentís、John Calsamiglia、Ramon Muñoz Tapia、量子変化点の正確な同定、Phys. レット牧師。 119、140506 (2017)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

【19] 中平健二、加藤健太郎、臼田剛史、対称三元状態の局所的明確な識別、物理学。 Rev. A 99、022316 (2019)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

【20] Gael Sentís、Esteban Martínez-Vargas、Ramon Muñoz-Tapia、対称純粋状態のオンライン識別、Quantum 6、658 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

【21] Yuqing Sun、Mark Hillery、および János A. Bergou、線形独立非直交量子状態とその光学的実現間の最適な明確な識別、Phys. Rev. A 64、022311 (2001)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

【22] János A. Bergou、Ulrike Futschik、および Edgar Feldman、純粋な量子状態の最適な明確な識別、Phys. レット牧師。 108、250502 (2012)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

【23] H. Yuen、R. Kennedy、および M. Lax、量子検出理論における複数の仮説の最適テスト、IEEE Trans. 情報理論 21、125 (1975)。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

【24] Carl W. Helstrom、量子の検出と推定理論 (Academic Press Inc.、1976)。

【25] B. Huttner、N. Imoto、N. Gisin、および T. Mor、コヒーレント状態の量子暗号化、Phys. Rev. A 51、1863 (1995)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

【26] Konrad Banaszek、253 つのコヒーレント状態を持つ量子暗号の最適な受信機、Phys. レット。 A 12、1999 (XNUMX)。
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

【27] SJ van Enk、線形光学によるコヒーレント状態の明確な状態識別: 量子暗号への応用、Phys. Rev. A 66、042313 (2002)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

【28] Miloslav Dušek、Mika Jahma、および Norbert Lütkenhaus、弱いコヒーレント状態を使用した量子暗号における明確な状態識別、物理学。 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、および Gerald S. Buller、位相エンコードされた光のコヒーレント状態を使用した量子デジタル署名の実験的デモンストレーション、Nat. 共通。 3、1174 (2012)。
https：/ / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

【30] FE Becerra、J. Fan、および A. Migdall、複数の非直交コヒーレント状態の明確な識別のための一般化量子測定の実装、Nat. 共通。 4年2028月2013日（XNUMX年）。
https：/ / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

【31] Shuro泉、Jonas S. Neergaard-Nielsen、およびUlrik L. Andersen、光子検出によるフィードバック測定のトモグラフィー、Phys. レット牧師。 124、070502 (2020)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

【32] Shuro泉、Jonas S. Neergaard-Nielsen、およびUlrik L. Andersen、四元位相偏移変調コヒーレント状態の一義的な状態識別のための適応一般化測定、PRX Quantum 2、020305 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

【33] MT DiMario と FE Becerra、光子計数によるバイナリ コヒーレント状態の最適な非射影測定のデモンストレーション、npj Quantum Inf 8、84 (2022)。
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

【34] M Takeoka、H Krovi、および S Guha、「明確な状態識別による純粋状態古典量子チャネルのホールボ容量の達成」、2013 年の IEEE 情報理論国際シンポジウム (2013)、166 ～ 170 ページ。

【35] AS Holevo、一般的な信号状態を含む量子チャネルの容量、IEEE Trans。 情報理論 44、269 (1998)。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

【36] Saikat Guha、超加法容量とホールボ限界を達成するための構造化光受信機、Phys. レット牧師。 106、240502 (2011a)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

【37] S Guha、Z Dutton、および JH Shapiro、「光通信の量子限界について: 連結コードと共同検出受信機」、2011 年 IEEE 情報理論会議議事録に関する国際シンポジウム (2011 年)、274 ～ 278 ページ。

【38] Matteo Rosati、Andrea Mari、Vittorio Giovannetti、非可逆ボソン通信チャネルでの古典通信のための多相ハダマール受信機、Phys. Rev. A 94、062325 (2016)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

【39] Christoffer Wittmann、Ulrik L. Andersen、Masahiro Takeoka、Denis Sych、Gerd Leuchs、変位制御光子数分解検出器を使用したコヒーレント状態識別のデモンストレーション、Phys. レット牧師。 104、100505 (2010a)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

【40] Christoffer Wittmann、Ulrik L. Andersen、Masahiro Takeoka、Denis Sych、Gerd Leuchs、ホモダイン検出器と光子数分解検出器を使用したバイナリ コヒーレント状態の識別、Phys. Rev. A 81、062338 (2010b)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

【41] B. Huttner、A. Muller、JD Gautier、H. Zbinden、および N. Gisin、非直交状態の明確な量子測定、Phys. Rev. A 54、3783 (1996)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

【42] Roger BM Clarke、Anthony Chefles、Stephen M. Barnett、および Erling Riis、最適な明確な状態識別の実験的実証、Phys. Rev. A 63、040305 (2001)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

【43] アレッサンドロ フェラーロ、ステファノ オリバレス、マッテオ GA パリ、連続変数量子情報におけるガウス状態 (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、および M. Napolitano、線形光受動デバイスによるユニタリ グループの表現理論の探索、Open Systems & Information Dynamics 13、415 (2006)。
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

【45] Scott Aaronson と Alex Arkhipov、「線形光学の計算の複雑さ」、『コンピューティング理論に関する第 2011 回 ACM 年次シンポジウム議事録』 (ACM、333)、342 ～ XNUMX ページ。
https：/ / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

【46] Michael Reck、Anton Zeilinger、Herbert J. Bernstein、Philip Bertani、離散ユニタリー演算子の実験的実現、Phys. レット牧師。 73、58 (1994)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

【47] William R. Clements、Peter C. Humphreys、Benjamin J. Metcalf、W. Steven Kolthammer、および Ian A. Walmsley、ユニバーサル マルチポート干渉計の最適設計、Optica 3、1460 (2016)。
https：/ / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

【48] BA Bell および IA Walmsley、線形光学ユニタリのさらなるコンパクト化、APL Photonics 6、070804 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

【49] Jasminder S. Sidhu、Shuro泉、Jonas S. Neergaard-Nielsen、Cosmo Lupo、およびUlrik L. Andersen、単一光子レベルでの位相シフトキーイング用の量子受信機、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、Mark M. Wilde、量子謎マシンと量子チャネルのロック容量、Phys. Rev. X 4、011016 (2014)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

【51] M. Skotiniotis、R. Hotz、J. Calsamiglia、および R. Muñoz-Tapia、誤動作している量子デバイスの特定、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 および Michael Gastpar、「ネットワーク容量定理における構造化ランダム コードの事例」、European Transactions on Telecommunications 19、455 (2008)。
https:/ / doi.org/ 10.1002/ ett.1284

【53] Saikat Guha、超加法容量とホールボ限界を達成するための構造化光受信機、Phys. レット牧師。 106、240502 (2011b)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

【54] Thomas M. Cover および Joy A. Thomas、情報理論の要素、第 2 版、Vol. 11 (Wiley-Interscience、2006)。

【55] Yury Polyanskiy、H. Vincent Poor、および Sergio Verdu、有限ブロック長領域におけるチャネル符号化速度、IEEE Transactions on Information Theory 56、2307 (2010)。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

【56] Si-Hui Tan、Zachary Dutton、Ranjith Nair、および Saikat Guha、「m-ary psk のシーケンシャル波形ヌリング受信機の有限符号長解析」、2015 年の IEEE 情報理論に関する国際シンポジウム (ISIT) (2015)、1665 ～ 1670 ページ。
https：/ / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

【57] Mankei Tsang、ポアソン量子情報、Quantum 5、527 (2021)。
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-08-19-527

【58] クリシュナ・クマール・サバパシーとアンドレアス・ウィンター、ボソニックデータ隠蔽: 線形光学と非線形光学の力、arXiv:2102.01622 (2021)、https://doi.org/10.48550/arXiv.2102.01622、arXiv:arXiv:2102.01622 。
https：/ / doi.org/ 10.48550 / arXiv.2102.01622
arXiv：arXiv：2102.01622

【59] ルドヴィコ・ラミ、連続変数システムによる量子データ隠蔽、物理学。 Rev. A 104、052428 (2021)。
https：/ / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

によって引用

[1] アレッシオ・ベレンキア、マッテオ・カルレッソ、オメル・バイラクタル、ダニエレ・デクアル、イヴァン・デルカッハ、ジュリオ・ガスバリ、ワルデマール・ヘル、イン・リア・リー、マルクス・ラデマッハー、ジャスミンダー・シドゥ、ダニエル・K・L・オイ、ステファン・T・ザイデル、ライナー・カルテンベック、クリストフ・マルカルト、ヘンドリックウルブリヒト、ヴラディスラフ・C・ウセンコ、リサ・ヴェルナー、アンドレ・シュエレブ、マウロ・パテルノストロ、アンジェロ・バッシ、「宇宙における量子物理学」、 物理レポート951、1（2022）.

[2] Jasminder S. Sidhu、Thomas Brougham、Duncan McArthur、Roberto G. Pousa、および Daniel KL Oi、「衛星量子鍵配布における有限鍵効果」、 npj量子情報8、18（2022）.

[3] MT DiMario および FE Becerra、「フォトン カウンティングによるバイナリ コヒーレント状態の最適な非投影測定のデモンストレーション」、 npj量子情報8、84（2022）.

上記の引用は SAO / NASA ADS （最後に正常に更新された2023-06-01 02:15:37）。 すべての出版社が適切で完全な引用データを提供するわけではないため、リストは不完全な場合があります。

On Crossrefの被引用サービス 作品の引用に関するデータは見つかりませんでした（最後の試行2023-06-01 02:15:35）。

この論文は、 Creative Commons Attribution 4.0 International（CC BY 4.0） ライセンス。 著作権は、著者やその機関などの元の著作権者にあります。

タイムスタンプ：

より多くの 量子ジャーナル