Lineaire optica en fotodetectie bereiken een bijna optimale ondubbelzinnige coherente toestandsdiscriminatie

Lineaire optica en fotodetectie bereiken een bijna optimale ondubbelzinnige coherente toestandsdiscriminatie

Tijdstempel: 31 mei 2023 10:12 uur
Bronknooppunt: 2691519

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

1SUPA Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, VK
2Afdeling Elektrotechniek en Computertechniek, Universiteit van Arizona, Tucson, Arizona 85721, VS
3College voor optische wetenschappen, de Universiteit van Arizona, Tucson, Arizona 85721, VS
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italië
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italië

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Coherente toestanden van het kwantum-elektromagnetische veld, de kwantumbeschrijving van ideaal laserlicht, zijn belangrijke kandidaten als informatiedragers voor optische communicatie. Er bestaat een grote hoeveelheid literatuur over hun kwantumbeperkte schatting en discriminatie. Er is echter zeer weinig bekend over de praktische realisaties van ontvangers van ondubbelzinnige staatsdiscriminatie (USD) van coherente staten. Hier vullen we deze leemte op en schetsen we een theorie van USD met ontvangers die gebruik mogen maken van: passieve multimode lineaire optica, fase-ruimteverplaatsingen, hulpvacuümmodi en aan-uit fotonendetectie. Onze resultaten geven aan dat deze momenteel beschikbare optische componenten in sommige regimes doorgaans voldoende zijn om een ​​vrijwel optimale, ondubbelzinnige discriminatie van meerdere, multimode coherente toestanden te bereiken.

Uitgelichte afbeelding: Voorbeeld van een expliciet ontvangerontwerp met behulp van multi-mode lineaire passieve optica, fase-ruimteverplaatsingsoperaties, hulpvacuümmodi en modusgewijze aan-uit-fotondetectie.

Populaire samenvatting

Kwantum-verbeterde ontvangers lopen voorop op het gebied van nieuwe kwantumtechnologieën. Voor toepassingen in optische communicatie bieden ze verbeterde discriminerende mogelijkheden voor meerdere niet-orthogonale kwantumtoestanden. Dit is vooral belangrijk voor zwakke coherente staatsalfabetten, gezien hun cruciale rol als informatiedragers in kwantumdetectie, communicatie en computergebruik. Een goed ontworpen kwantumontvanger combineert functionaliteit met hoge prestaties, waarbij deze laatste worden gekwantificeerd door middel van een geschikt taakafhankelijk cijfer van verdienste. Binnen het raamwerk van ondubbelzinnige staatsdiscriminatie (USD) zijn kwantumontvangers ontworpen om een ​​onbekende toestand foutloos en de bijbehorende status te identificeren. De prestaties worden gebenchmarkt in termen van de minimale gemiddelde kans op het verkrijgen van een onduidelijke gebeurtenis.

Er is een grote hoeveelheid literatuur gewijd aan het vaststellen van de mondiale grens voor USD voor verschillende families van kwantumstaten, inclusief semidefiniet programmeren en zelfs exacte analytische oplossingen waar symmetrie in de staten dit toelaat. Deze benaderingen bieden formele wiskundige beschrijvingen voor globaal optimale USD-metingen, maar schieten tekort in het bieden van een expliciete of haalbare ontvangerconstructie. Verrassend genoeg is er heel weinig bekend over praktische USD-ontvangers voor coherente staten buiten faseverschuivingsconstellaties, en of ze de mondiale grenzen kunnen bereiken.

Om deze kloof te dichten, stellen we een nieuwe theorie voor de USD op die werkt op basis van praktische meetschema’s. In het bijzonder maken onze ontvangers slechts gebruik van beperkte middelen, zoals multi-mode lineaire passieve optica, fase-ruimteverplaatsingsoperaties, hulpvacuümmodi en modusgewijze aan-uit-fotondetectie. We ontwikkelen meerdere klassen ontvangers, elk geschikt voor specifieke eigenschappen van de coherente toestandsconstellatie. We passen onze theorie toe op een aantal coherente modulaties en benchmarken de prestaties aan de bestaande mondiale grenzen van de USD. We laten zien dat in sommige regimes deze praktische, maar beperkte, reeks fysieke operaties doorgaans voldoende is om vrijwel optimale prestaties te leveren. Dit werk creëert een theoretisch raamwerk om het ontwerp van ontvangers te begrijpen en te beheersen om een ​​bijna optimale USD van coherente staten mogelijk te maken.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard en N. David Mermin, Quantumcryptografie zonder de stelling van Bell, Phys. Ds. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu en Pieter Kok, Geometrisch perspectief op het schatten van kwantumparameters, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu en 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 [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, et al., Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. 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, et al., Vooruitgang in kwantumcommunicatie in de ruimte, 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, et al., Snelle poortgebaseerde uitlezing van siliciumkwantumdots met behulp van josephson parametrische versterking, Phys. Ds. Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae en Leong-Chuan Kwek, Quantum-staatsdiscriminatie en de toepassingen ervan, J. Phys. EEN: Wiskunde. Theorie. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir en SV Polyakov, Practical quantum-enhanced receivers for klassieke communicatie, 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 en Sergey V. Polyakov, Experimentele shot-voor-shot schatting van het vertrouwen in kwantummetingen, Phys. Ds. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal en Georges Kaddoum, Optische communicatie in de ruimte: uitdagingen en mitigatietechnieken, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https:/​/​doi.org/10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, Equivalentie van semi-klassieke en kwantummechanische beschrijvingen van statistische lichtstralen, Phys. Ds. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Coherente en onsamenhangende toestanden van het stralingsveld, Phys. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Hoe onderscheid te maken tussen niet-orthogonale toestanden, Phys. Let. A123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Overlap en onderscheidbaarheid van kwantumtoestanden, Phys. Let. A126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres en Daniel R Terno, Optimaal onderscheid tussen niet-orthogonale kwantumtoestanden, J. Phys. EEN: Wiskunde. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, een semidefiniete programmeerbenadering voor optimale ondubbelzinnige discriminatie van kwantumtoestanden, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Ondubbelzinnige discriminatie tussen lineair onafhankelijke kwantumtoestanden, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia en Ramon Muñoz Tapia, Exacte identificatie van een kwantumveranderingspunt, Phys. Ds. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato en Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokale ondubbelzinnige discriminatie van symmetrische ternaire staten, Phys. Rev.A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas en Ramon Muñoz-Tapia, online identificatie van symmetrische zuivere staten, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery en János A. Bergou, optimale ondubbelzinnige discriminatie tussen lineair onafhankelijke niet-orthogonale kwantumtoestanden en de optische realisatie ervan, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik en Edgar Feldman, Optimale ondubbelzinnige discriminatie van pure kwantumtoestanden, Phys. Ds. Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy en M. Lax, optimaal testen van meerdere hypothesen in de kwantumdetectietheorie, IEEE Trans. Inf. Theorie 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Quantumdetectie en schattingstheorie (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin en T. Mor, Quantumcryptografie met coherente toestanden, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimale ontvanger voor kwantumcryptografie met twee coherente toestanden, Phys. Let. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Ondubbelzinnige staatsdiscriminatie van coherente staten met lineaire optica: toepassing op kwantumcryptografie, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma en Norbert Lütkenhaus, Ondubbelzinnige staatsdiscriminatie in kwantumcryptografie met zwakke coherente toestanden, 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 en Gerald S. Buller, experimentele demonstratie van kwantumdigitale handtekeningen met behulp van fase-gecodeerde coherente lichttoestanden, Nat. Gemeenschappelijk. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan en A. Migdall, Implementatie van gegeneraliseerde kwantummetingen voor ondubbelzinnige discriminatie van meerdere niet-orthogonale coherente toestanden, Nat. Gemeenschappelijk. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen en Ulrik L. Andersen, Tomografie van een feedbackmeting met fotondetectie, Phys. Ds. Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen en Ulrik L. Andersen, Adaptieve gegeneraliseerde meting voor ondubbelzinnige toestandsdiscriminatie van quaternaire fase-shift-keying coherente toestanden, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario en FE Becerra, Demonstratie van optimale niet-projectieve meting van binaire coherente toestanden met het tellen van fotonen, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi en S Guha, Het bereiken van de holevo-capaciteit van een puur klassiek-kwantumkanaal via ondubbelzinnige staatsdiscriminatie, in 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013), pp. 166–170.

[35] AS Holevo, De capaciteit van het kwantumkanaal met algemene signaaltoestanden, IEEE Trans. Inf. Theorie 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Gestructureerde optische ontvangers om superadditieve capaciteit en de holevo-limiet te bereiken, Phys. Ds. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton en JH Shapiro, over de kwantumlimiet van optische communicatie: aaneengeschakelde codes en ontvangers met gezamenlijke detectie, in 2011 IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings (2011), blz. 274-278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari en Vittorio Giovannetti, Multiphase hadamard-ontvangers voor klassieke communicatie op verliesgevende bosonische kanalen, Phys. Rev.A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych en Gerd Leuchs, Demonstratie van coherente toestandsdiscriminatie met behulp van een verplaatsingsgecontroleerde detector voor het oplossen van fotonengetallen, Phys. Ds. Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych en Gerd Leuchs, Discriminatie van binaire coherente toestanden met behulp van een homodyne detector en een fotongetaloplossende detector, Phys. Rev.A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden en N. Gisin, Ondubbelzinnige kwantummeting van niet-orthogonale toestanden, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett en Erling Riis, experimentele demonstratie van optimale ondubbelzinnige staatsdiscriminatie, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares en Matteo GA Paris, Gaussiaanse staten in continu variabele kwantuminformatie (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 en M. Napolitano, Onderzoek naar de representatietheorie van unitaire groepen via lineaire optische passieve apparaten, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson en Alex Arkhipov, The computationele complexiteit van lineaire optica, in Proceedings of the drieënveertigste jaarlijkse ACM-symposium over Theory of computing (ACM, 2011), blz. 333-342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein en Philip Bertani, Experimentele realisatie van elke discrete unitaire operator, Phys. Ds. 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 en Ian A. Walmsley, optimaal ontwerp voor universele multipoort-interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell en IA Walmsley, Verdere compactisering van lineaire optische unitaries, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo en Ulrik L. Andersen, Quantum-ontvanger voor faseverschuivingssleuteling op het niveau van één foton, 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 en Mark M. Wilde, Quantum enigma-machines en de vergrendelingscapaciteit van een kwantumkanaal, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia en R. Muñoz-Tapia, Identificatie van defecte kwantumapparaten, 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 en Michael Gastpar, The case for gestructureerde willekeurige codes in netwerkcapaciteitsstellingen, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Gestructureerde optische ontvangers om superadditieve capaciteit en de holevo-limiet te bereiken, Phys. Ds. Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor, en Sergio Verdu, Kanaalcoderingssnelheid in het eindige bloklengteregime, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair en Saikat Guha, Finite codelength-analyse van de sequentiële golfvorm-nulontvanger voor m-ary psk, in 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015), blz. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy en Andreas Winter, Bosonische gegevens verbergen: kracht van lineaire versus niet-lineaire optica, 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] Ludovico Lami, Kwantumgegevens verbergen met continue variabele systemen, Phys. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Geciteerd door

[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 en Angelo Bassi, “Kwantumfysica in de ruimte”, Natuurkundige rapporten 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa en Daniel K. L. Oi, "Einde sleuteleffecten in de distributie van kwantumsleutels via satelliet", npj Quantum-informatie 8, 18 (2022).

[3] M. T. DiMario en F. E. Becerra, “Demonstratie van optimale niet-projectieve meting van binaire coherente toestanden met het tellen van fotonen”, npj Quantum-informatie 8, 84 (2022).

Bovenstaande citaten zijn afkomstig van SAO / NASA ADS (laatst bijgewerkt met succes 2023-06-01 02:15:37). De lijst is mogelijk onvolledig omdat niet alle uitgevers geschikte en volledige citatiegegevens verstrekken.

On De door Crossref geciteerde service er zijn geen gegevens gevonden over het citeren van werken (laatste poging 2023-06-01 02:15:35).

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal