Lineær optikk og fotodeteksjon oppnår nesten optimal entydig, sammenhengende tilstandsdiskriminering

Lineær optikk og fotodeteksjon oppnår nesten optimal entydig, sammenhengende tilstandsdiskriminering

Tidsstempel: 31. mai 2023 10:12
Kilde node: 2691519

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

1SUPA Institutt for fysikk, University of Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Storbritannia
2Institutt for elektro- og datateknikk, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
3College of Optical Sciences, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italia
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italia

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Koherente tilstander av det kvanteelektromagnetiske feltet, kvantebeskrivelsen av ideelt laserlys, er hovedkandidater som informasjonsbærere for optisk kommunikasjon. Det finnes en stor mengde litteratur om deres kvantebegrensede estimering og diskriminering. Imidlertid er svært lite kjent om de praktiske realiseringene til mottakere for entydig statsdiskriminering (USD) av sammenhengende stater. Her fyller vi dette gapet og skisserer en teori om USD med mottakere som har lov til å bruke: passiv multimode lineær optikk, fase-rom-forskyvninger, hjelpevakuummoduser og på-av-fotondeteksjon. Resultatene våre indikerer at i noen regimer er disse for tiden tilgjengelige optiske komponentene typisk tilstrekkelige til å oppnå nesten optimal entydig diskriminering av flere, multimode koherente tilstander.

Utvalgt bilde: Eksempel på et eksplisitt mottakerdesign som bruker multi-modus lineær passiv optikk, fase-rom-forskyvningsoperasjoner, hjelpevakuummoduser og modusvis på-av-fotondeteksjon.

Populært sammendrag

Kvanteforbedrede mottakere er i forkant av nye kvanteteknologier. For applikasjoner innen optisk kommunikasjon gir de forbedrede diskriminerende evner for flere ikke-ortogonale kvantetilstander. Dette er spesielt viktig for svake sammenhengende alfabeter gitt deres sentrale rolle som informasjonsbærere innen kvantesansing, kommunikasjon og databehandling. En godt designet kvantemottaker kombinerer praktisk med høy ytelse, hvor sistnevnte kvantifiseres gjennom en passende oppgaveavhengig fortjeneste. Innenfor rammen av entydig tilstandsdiskriminering (USD), er kvantemottakere designet for å identifisere en ukjent tilstand uten feil og dens ytelsen er benchmarket i form av minimum gjennomsnittlig sannsynlighet for å oppnå en uslåelig hendelse.

Det er en lang rekke litteratur viet til å etablere den globale grensen for USD for forskjellige familier av kvantestater, inkludert semibestemt programmering og til og med eksakte analytiske løsninger der symmetrien i statene tillater det. Disse tilnærmingene gir formelle matematiske beskrivelser for globalt optimale USD-målinger, men kommer ikke til å gi en eksplisitt eller gjennomførbar mottakerkonstruksjon. Overraskende nok er det veldig lite kjent om praktiske USD-mottakere for sammenhengende stater utover faseskiftende nøkkelkonstellasjoner, og om de kan nå de globale grensene.

For å lukke dette gapet etablerer vi en ny teori for USD som opererer under praktiske måleordninger. Spesielt utnytter mottakerne våre bare begrensede ressurser, slik som lineær passiv optikk i flere moduser, fase-rom-forskyvningsoperasjoner, hjelpevakuummoduser og modusvis på-av-fotondeteksjon. Vi utvikler flere klasser av mottakere, hver tilpasset spesifikke egenskaper til den koherente tilstandskonstellasjonen. Vi bruker teorien vår på en rekke koherente-statsmodulasjoner og måler ytelsen til eksisterende globale grenser på USD. Vi demonstrerer at i noen regimer er dette praktiske, men begrensede settet med fysiske operasjoner typisk tilstrekkelig til å levere nesten optimal ytelse. Dette arbeidet etablerer et teoretisk rammeverk for å forstå og mestre utformingen av mottakere for å muliggjøre nesten optimal USD av sammenhengende stater.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard og N. David Mermin, Kvantekryptografi uten bjelles teorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu og Pieter Kok, Geometrisk perspektiv på kvanteparameterestimering, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu og 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, 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., Advances in space quantum communications, 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., Fast gate-basert avlesning av silisium kvanteprikker ved bruk av josephson parametrisk forsterkning, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae og Leong-Chuan Kwek, Kvantestatsdiskriminering og dens anvendelser, J. Phys. A: Matematikk. Teoret. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir og SV Polyakov, praktiske kvanteforbedrede mottakere for klassisk kommunikasjon, 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 og Sergey V. Polyakov, Eksperimentell skudd-for-skudd estimering av kvantemålingssikkerhet, Fysisk. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal og Georges Kaddoum, Optisk kommunikasjon i rommet: utfordringer og avbøtende teknikker, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Ekvivalens av semiklassiske og kvantemekaniske beskrivelser av statistiske lysstråler, Fysisk. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Koherente og usammenhengende tilstander i strålingsfeltet, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Hvordan skille mellom ikke-ortogonale tilstander, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Overlapping og distinguishability of quantum states, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres og Daniel R Terno, Optimalt skille mellom ikke-ortogonale kvantetilstander, J. Phys. A: Matematikk. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, En semibestemt programmeringstilnærming til optimal entydig diskriminering av kvantetilstander, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Utvetydig diskriminering mellom lineært uavhengige kvantetilstander, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia og Ramon Muñoz Tapia, eksakt identifikasjon av et kvanteendringspunkt, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato og Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokal entydig diskriminering av symmetriske ternære tilstander, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas og Ramon Muñoz-Tapia, Online identifikasjon av symmetriske rene tilstander, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery og János A. Bergou, Optimal entydig diskriminering mellom lineært uavhengige ikke-ortogonale kvantetilstander og dens optiske realisering, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik og Edgar Feldman, Optimal entydig diskriminering av rene kvantetilstander, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy og M. Lax, Optimal testing av flere hypoteser i kvantedeteksjonsteori, 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 og T. Mor, Quantum cryptography with coherent states, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimal mottaker for kvantekryptografi med to sammenhengende tilstander, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Entydig tilstandsdiskriminering av koherente tilstander med lineær optikk: Anvendelse til kvantekryptografi, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma og Norbert Lütkenhaus, Entydig statsdiskriminering i kvantekryptografi med svake koherente tilstander, Fysisk. 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 og Gerald S. Buller, Eksperimentell demonstrasjon av kvantedigitale signaturer ved bruk av fasekodede koherente lystilstander, Nat. Commun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan og A. Migdall, Implementering av generaliserte kvantemålinger for entydig diskriminering av flere ikke-ortogonale koherente tilstander, Nat. Commun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

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

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen og Ulrik L. Andersen, Adaptive generalized measurement for unambiguous state discrimination of quaternary phase-shift-keying coherent states, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario og FE Becerra, Demonstrasjon av optimal ikke-projektiv måling av binære koherente tilstander med fotontelling, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi og S Guha, Achieving the holevo capacity of a pure state classical-quantum channel via entydig statsdiskriminering, i 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) s. 166–170.

[35] AS Holevo, Kapasiteten til kvantekanalen med generelle signaltilstander, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturerte optiske mottakere for å oppnå superadditiv kapasitet og holevo-grensen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari og Vittorio Giovannetti, Multiphase hadamard-mottakere for klassisk kommunikasjon på bosoniske kanaler med tap, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych og Gerd Leuchs, Demonstration of coherent-state discrimination using a displacement-controlled photon-number-resolving detector, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych og Gerd Leuchs, Discrimination of binary coherent states using a homodyne detector and a photon number resolving detector, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden og N. Gisin, Entydig kvantemåling av ikke-ortogonale tilstander, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett og Erling Riis, Eksperimentell demonstrasjon av optimal entydig statsdiskriminering, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares og Matteo GA Paris, Gaussiske stater i kontinuerlig variabel kvanteinformasjon (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 og M. Napolitano, Utforsking av representasjonsteori for enhetlige grupper via lineære optiske passive enheter, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson og Alex Arkhipov, The computational complexity of linear optics, i Proceedings of the forty-thirth annual ACM symposium on Theory of computing (ACM, 2011) s. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein og Philip Bertani, Eksperimentell realisering av enhver diskret enhetsoperatør, 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 og Ian A. Walmsley, Optimal design for universal multiport interferometre, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell og IA Walmsley, Videre komprimering av lineære optiske enheter, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo og Ulrik L. Andersen, Quantum-mottaker for faseskiftnøkling på enkeltfotonnivå, 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 og Mark M. Wilde, Quantum enigma-maskiner og låsekapasiteten til en kvantekanal, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia og R. Muñoz-Tapia, Identification of malfunctioning 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 og Michael Gastpar, Tilfellet for strukturerte tilfeldige koder i nettverkskapasitetsteoremer, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturerte optiske mottakere for å oppnå superadditiv kapasitet og holevo-grensen, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor og Sergio Verdu, Channel coding rate in the finite blocklength-regime, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair og Saikat Guha, Finite codelength analysis of the sequential waveform nulling receiver for m-ary psk, i 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) s. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy og Andreas Winter, Bosonic data hiding: power of linear vs non-linear optics, arXiv:2102.01622 (2021), https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622, arXiv:2102.01622X.iv:XNUMXX. .
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arxiv: arxiv: 2102.01622

[59] Ludovico Lami, Kvantedata skjuler med kontinuerlige variable systemer, Fysisk. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Sitert av

[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. Seidel, Rainer Kaltenbaek, Christoph Marquardt, Hendrik Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro og Angelo Bassi, "Kvantefysikk i rommet", Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa og Daniel KL Oi, "Endelige nøkkeleffekter i satellittkvantenøkkeldistribusjon", npj Kvanteinformasjon 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario og FE Becerra, "Demonstrasjon av optimal ikke-projektiv måling av binære koherente tilstander med fotontelling", npj Kvanteinformasjon 8, 84 (2022).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2023-06-01 02:15:37). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

On Crossrefs siterte tjeneste ingen data om sitering av verk ble funnet (siste forsøk 2023-06-01 02:15:35).

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal