Optyka liniowa i fotodetekcja osiągają niemal optymalną, jednoznaczną i spójną dyskryminację stanu

Optyka liniowa i fotodetekcja osiągają niemal optymalną, jednoznaczną i spójną dyskryminację stanu

Znacznik czasu: 31 maja 2023 r. 10:12
Węzeł źródłowy: 2691519

Jasminder S. Sidhu1, Michaela S. Bullocka2, Saikat Guha2,3, Kosmo Lupo4,5

1Wydział Fizyki SUPA, Uniwersytet Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Wielka Brytania
2Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Uniwersytet Arizony, Tucson, Arizona 85721, USA
3Wyższa Szkoła Nauk Optycznych, Uniwersytet Arizony, Tucson, Arizona 85721, USA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Włochy
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Włochy

Czy ten artykuł jest interesujący czy chcesz dyskutować? Napisz lub zostaw komentarz do SciRate.

Abstrakcyjny

Spójne stany kwantowego pola elektromagnetycznego, kwantowy opis idealnego światła laserowego, są głównymi kandydatami na nośniki informacji w komunikacji optycznej. Istnieje obszerna literatura dotycząca ich kwantowo ograniczonego szacowania i dyskryminacji. Niewiele jednak wiadomo na temat praktycznych realizacji odbiorników jednoznacznej dyskryminacji stanów (USD) stanów spójnych. Tutaj wypełniamy tę lukę i nakreślamy teorię USD za pomocą odbiorników, które mogą wykorzystywać: pasywną wielomodową optykę liniową, przemieszczenia przestrzeni fazowej, pomocnicze mody próżniowe i detekcję fotonów typu on-off. Nasze wyniki wskazują, że w niektórych reżimach te obecnie dostępne komponenty optyczne są zazwyczaj wystarczające do osiągnięcia niemal optymalnej, jednoznacznej dyskryminacji wielu wielomodowych stanów spójnych.

Wyróżniony obraz: Przykład wyraźnego projektu odbiornika wykorzystującego wielomodową liniową optykę pasywną, operacje przesunięcia w przestrzeni fazowej, pomocnicze tryby próżni i detekcję fotonów w trybie włączania i wyłączania.

Popularne podsumowanie

Odbiorniki wykorzystujące technologię kwantową stanowią awangardę nowych technologii kwantowych. W zastosowaniach w komunikacji optycznej zapewniają ulepszone możliwości rozróżniania wielu nieortogonalnych stanów kwantowych. Jest to szczególnie ważne w przypadku słabo spójnych alfabetów stanów, biorąc pod uwagę ich kluczową rolę jako nośników informacji w wykrywaniu kwantowym, komunikacji i informatyce. Dobrze zaprojektowany odbiornik kwantowy łączy praktyczność z wysoką wydajnością, przy czym ta ostatnia jest określana ilościowo za pomocą odpowiedniego współczynnika zależnego od zadania. W ramach jednoznacznej dyskryminacji stanu (USD) odbiorniki kwantowe są zaprojektowane tak, aby bezbłędnie identyfikować nieznany stan i jego wyniki są porównywane pod kątem minimalnego średniego prawdopodobieństwa uzyskania zdarzenia niejednoznacznego.

Istnieje obszerna literatura poświęcona ustalaniu globalnego limitu USD dla różnych rodzin stanów kwantowych, w tym programowania półokreślonego, a nawet dokładnych rozwiązań analitycznych, tam gdzie pozwala na to symetria stanów. Podejścia te zapewniają formalne opisy matematyczne dla globalnie optymalnych pomiarów USD, ale nie zapewniają jednoznacznej lub wykonalnej konstrukcji odbiornika. Co zaskakujące, niewiele wiadomo na temat praktycznych odbiorników USD dla spójnych stanów poza konstelacjami kluczowania z przesunięciem fazowym i na temat tego, czy mogą one osiągnąć globalne granice.

Aby wypełnić tę lukę, ustanawiamy nową teorię dotyczącą USD, która działa w oparciu o praktyczne schematy pomiaru. W szczególności nasze odbiorniki wykorzystują jedynie ograniczone zasoby, takie jak wielomodowa liniowa optyka pasywna, operacje przesunięcia przestrzeni fazowej, pomocnicze tryby próżniowe i detekcja fotonów w trybie włączania i wyłączania. Opracowujemy wiele klas odbiorników, każdy dostosowany do specyficznych właściwości konstelacji stanu spójnego. Stosujemy naszą teorię do szeregu modulacji stanu spójnego i porównujemy wydajność z istniejącymi globalnymi limitami w USD. Pokazujemy, że w niektórych systemach ten praktyczny, choć ograniczony zestaw operacji fizycznych jest zazwyczaj wystarczający do zapewnienia niemal optymalnej wydajności. Praca ta ustanawia ramy teoretyczne umożliwiające zrozumienie i opanowanie projektowania odbiorników umożliwiających uzyskanie niemal optymalnego USD stanów spójnych.

► Dane BibTeX

► Referencje

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard i N. David Mermin, Kryptografia kwantowa bez twierdzenia Bella, Phys. Wielebny Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu i Pieter Kok, Perspektywa geometryczna w estymacji parametrów kwantowych, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu i Pieter Kok, Quantum fisher Information for General przestrzennych deformacji emiterów kwantowych, 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 i in., Advances in quantum cryptography, Adv. Optować. 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 i in., Advances in space quantum communication, 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 i in., Szybki odczyt krzemowych kropek kwantowych przy użyciu bramki przy użyciu wzmocnienia parametrycznego Josephsona, Phys. Wielebny Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae i Leong-Chuan Kwek, Dyskryminacja stanu kwantowego i jej zastosowania, J. Phys. O: Matematyka. Teoria. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir i SV Polyakov, Praktyczne odbiorniki wzmocnione kwantowo do komunikacji klasycznej, 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 i Sergey V. Polyakov, Eksperymentalna ocena pewności pomiaru kwantowego krok po kroku, Phys. Wielebny Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal i Georges Kaddoum, Komunikacja optyczna w przestrzeni: wyzwania i techniki łagodzenia, Ankiety i samouczki dotyczące komunikacji IEEE 19, 57 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, Równoważność opisów półklasycznych i mechaniki kwantowej statystycznych wiązek światła, Phys. Wielebny Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Spójne i niespójne stany pola promieniowania, Phys. Obj. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Jak rozróżnić stany nieortogonalne, Phys. Łotysz. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Nakładanie się i rozróżnialność stanów kwantowych, Phys. Łotysz. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres i Daniel R. Terno, Optymalne rozróżnienie między nieortogonalnymi stanami kwantowymi, J. Phys. O: Matematyka. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, Półokreślone podejście programistyczne do optymalnej jednoznacznej dyskryminacji stanów kwantowych, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Jednoznaczna dyskryminacja między liniowo niezależnymi stanami kwantowymi, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia i Ramon Muñoz Tapia, Dokładna identyfikacja punktu zmiany kwantowej, Phys. Wielebny Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato i Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokalna jednoznaczna dyskryminacja symetrycznych stanów trójskładnikowych, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas i Ramon Muñoz-Tapia, Identyfikacja online symetrycznych stanów czystych, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery i János A. Bergou, Optymalna jednoznaczna dyskryminacja między liniowo niezależnymi nieortogonalnymi stanami kwantowymi i jej optyczną realizacją, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik i Edgar Feldman, Optymalna jednoznaczna dyskryminacja czystych stanów kwantowych, Phys. Wielebny Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy i M. Lax, Optymalne testowanie wielu hipotez w teorii wykrywania kwantowego, IEEE Trans. Inf. Teoria 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Teoria wykrywania i szacowania kwantowego (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin i T. Mor, Kwantowa kryptografia ze spójnymi stanami, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optymalny odbiornik do kryptografii kwantowej z dwoma stanami spójnymi, fiz. Łotysz. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Jednoznaczna dyskryminacja stanu spójnych stanów za pomocą optyki liniowej: zastosowanie do kryptografii kwantowej, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma i Norbert Lütkenhaus, Jednoznaczna dyskryminacja stanu w kryptografii kwantowej ze słabymi stanami spójnymi, 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 i Gerald S. Buller, Eksperymentalna demonstracja kwantowych podpisów cyfrowych przy użyciu kodowanych fazowo spójnych stanów światła, Nat. komuna. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan i A. Migdall, Implementacja uogólnionych pomiarów kwantowych dla jednoznacznej dyskryminacji wielu nieortogonalnych stanów koherentnych, Nat. komuna. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen i Ulrik L. Andersen, Tomografia pomiaru sprzężenia zwrotnego z detekcją fotonów, Phys. Wielebny Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen i Ulrik L. Andersen, Adaptacyjny uogólniony pomiar dla jednoznacznej dyskryminacji stanu czwartorzędowych stanów spójnych z kluczowaniem fazowym, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: // doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario i FE Becerra, Demonstracja optymalnego nierzutowego pomiaru binarnych stanów koherentnych za pomocą zliczania fotonów, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M. Takeoka, H. Krovi i S. Guha, Osiąganie pojemności holevo klasycznego kanału kwantowego w czystym stanie poprzez jednoznaczną dyskryminację stanu, w 2013 r. Międzynarodowe sympozjum IEEE na temat teorii informacji (2013), s. 166–170.

[35] AS Holevo, Pojemność kanału kwantowego z ogólnymi stanami sygnału, IEEE Trans. Inf. Teoria 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturalne odbiorniki optyczne umożliwiające osiągnięcie pojemności superaddytywnej i granicy holevo, Phys. Wielebny Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton i JH Shapiro, O granicy kwantowej komunikacji optycznej: kody połączone i odbiorniki wspólnego wykrywania, w 2011 r. Międzynarodowe sympozjum IEEE na temat postępowań dotyczących teorii informacji (2011), s. 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari i Vittorio Giovannetti, Wielofazowe odbiorniki hadamarda do klasycznej komunikacji na stratnych kanałach bozonowych, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych i Gerd Leuchs, Demonstracja dyskryminacji stanu spójnego za pomocą detektora rozdzielającego liczbę fotonów sterowanego przemieszczeniem, Phys. Wielebny Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych i Gerd Leuchs, Dyskryminacja binarnych stanów spójnych za pomocą detektora homodynowego i detektora rozdzielającego liczbę fotonów, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden i N. Gisin, Jednoznaczny pomiar kwantowy stanów nieortogonalnych, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett i Erling Riis, Eksperymentalna demonstracja optymalnej jednoznacznej dyskryminacji stanu, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares i Matteo GA Paris, Stany Gaussa w ciągłej zmiennej informacji kwantowej (Bibliopolis (Neapol), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
arXiv: quant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo i M. Napolitano, Eksplorowanie teorii reprezentacji grup unitarnych za pomocą liniowych optycznych urządzeń pasywnych, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson i Alex Arkhipov, Złożoność obliczeniowa optyki liniowej, w: Proceedings of the czterdziestego trzeciego dorocznego sympozjum ACM na temat teorii informatyki (ACM, 2011), s. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein i Philip Bertani, Eksperymentalna realizacja dowolnego dyskretnego operatora unitarnego, Phys. Wielebny 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 i Ian A. Walmsley, Optymalny projekt uniwersalnych interferometrów wieloportowych, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell i IA Walmsley, Dalsze kompaktowanie liniowych jednostek optycznych, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo i Ulrik L. Andersen, Odbiornik kwantowy do kluczowania przesunięcia fazowego na poziomie pojedynczego fotonu, 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 i Mark M. Wilde, Maszyny Quantum enigma i zdolność blokowania kanału kwantowego, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia i R. Muñoz-Tapia, Identyfikacja wadliwych urządzeń kwantowych, 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 i Michael Gastpar, Sprawa strukturyzowanych kodów losowych w twierdzeniach o przepustowości sieci, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturalne odbiorniki optyczne umożliwiające osiągnięcie pojemności superaddytywnej i granicy holevo, Phys. Wielebny Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover i Joy A. Thomas, Elementy teorii informacji, wyd. 2, tom. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor i Sergio Verdu, Szybkość kodowania kanałów w reżimie skończonej długości bloku, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair i Saikat Guha, Analiza długości kodu skończonego sekwencyjnego odbiornika zerowego kształtu fali dla m-ary psk, w Międzynarodowym sympozjum IEEE na temat teorii informacji (ISIT) 2015 (2015), s. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy i Andreas Winter, Bosoniczne ukrywanie danych: moc optyki liniowej i nieliniowej, 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, Ukrywanie danych kwantowych w układach zmiennych ciągłych, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Cytowany przez

[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 i Angelo Bassi, „Fizyka kwantowa w kosmosie”, Raporty fizyczne 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa i Daniel KL Oi, „Skończone kluczowe efekty w satelitarnej dystrybucji klucza kwantowego”, npj Informacje kwantowe 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario i FE Becerra, „Demonstracja optymalnego nierzutowego pomiaru binarnych stanów koherentnych za pomocą zliczania fotonów”, npj Informacje kwantowe 8, 84 (2022).

Powyższe cytaty pochodzą z Reklamy SAO / NASA (ostatnia aktualizacja pomyślnie 2023-06-01 02:15:37). Lista może być niekompletna, ponieważ nie wszyscy wydawcy podają odpowiednie i pełne dane cytowania.

On Serwis cytowany przez Crossref nie znaleziono danych na temat cytowania prac (ostatnia próba 2023-06-01 02:15:35).

Niniejszy artykuł opublikowano w Quantum pod Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe (CC BY 4.0) licencja. Prawa autorskie należą do pierwotnych właścicieli praw autorskich, takich jak autorzy lub ich instytucje.

Znak czasu:

Więcej z Dziennik kwantowy