Optica liniară și fotodetecția realizează o discriminare coerentă fără ambiguitate aproape optimă

Optica liniară și fotodetecția realizează o discriminare coerentă fără ambiguitate aproape optimă

Marca temporală: 31 mai 2023, ora 10:12
Nodul sursă: 2691519

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

1Departamentul de Fizică SUPA, Universitatea Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Marea Britanie
2Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare, Universitatea din Arizona, Tucson, Arizona 85721, SUA
3Colegiul de Științe Optice, Universitatea din Arizona, Tucson, Arizona 85721, SUA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italia
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Stările coerente ale câmpului electromagnetic cuantic, descrierea cuantică a luminii laser ideale, sunt candidații principali ca purtători de informații pentru comunicațiile optice. Există un corp mare de literatură despre estimarea și discriminarea lor limitată cuantic. Cu toate acestea, se cunosc foarte puține lucruri despre realizările practice ale receptorilor pentru discriminarea neambiguă de stat (USD) a statelor coerente. Aici umplem acest gol și schițăm o teorie a USD cu receptori care au voie să utilizeze: optică liniară multimodă pasivă, deplasări fază-spațiu, moduri de vid auxiliare și detecție de fotoni on-off. Rezultatele noastre indică faptul că, în unele regimuri, aceste componente optice disponibile în prezent sunt de obicei suficiente pentru a realiza o discriminare aproape optimă fără ambiguitate a stărilor multiple, coerente multimodale.

Imagine prezentată: Exemplu de proiectare explicită a receptorului care utilizează optică pasivă liniară multimodală, operații de deplasare în spațiu de fază, moduri de vid auxiliare și detecție de foton pornit-oprit în funcție de mod.

Rezumat popular

Receptoarele cu îmbunătățire cuantică sunt în avangarda noilor tehnologii cuantice. Pentru aplicațiile în comunicațiile optice, acestea oferă capacități discriminatorii îmbunătățite pentru mai multe stări cuantice non-ortogonale. Acest lucru este deosebit de important pentru alfabetele de stare slabe coerente, având în vedere rolul lor esențial ca purtători de informații în detectarea cuantică, comunicare și calcul. Un receptor cuantic bine proiectat combină caracterul practic cu performanța ridicată, în care aceasta din urmă este cuantificată printr-o cifră de merit adecvată dependentă de sarcină. În cadrul discriminării fără ambiguitate a stării (USD), receptoarele cuantice sunt proiectate pentru a identifica o stare necunoscută fără eroare și a acesteia. performanța este evaluată în termeni de probabilitate medie minimă de a obține un eveniment neconcludent.

Există o gamă largă de literatură dedicată stabilirii limitei globale pentru USD pentru diferite familii de stări cuantice, inclusiv programare semidefinită și chiar soluție analitică exactă acolo unde simetria statelor o permite. Aceste abordări oferă descrieri matematice formale pentru măsurători USD optime la nivel global, dar nu oferă o construcție explicită sau fezabilă a receptorului. În mod surprinzător, se știe foarte puține despre receptoarele practice USD pentru stări coerente dincolo de constelațiile cu schimbare de fază și dacă pot atinge limitele globale.

Pentru a reduce acest decalaj, stabilim o nouă teorie pentru USD care funcționează conform schemelor practice de măsurare. În special, receptorii noștri folosesc doar resurse limitate, cum ar fi optica pasivă liniară multimodală, operațiunile de deplasare a spațiului de fază, moduri de vid auxiliare și detectarea fotonului pornit-oprit în funcție de mod. Dezvoltăm mai multe clase de receptori, fiecare potrivit proprietăților specifice ale constelației de stări coerente. Ne aplicăm teoria unui număr de modulații coerente și evaluăm performanța la limitele globale existente în USD. Demonstrăm că, în unele regimuri, acest set practic, dar restrâns, de operațiuni fizice este de obicei suficient pentru a oferi performanțe aproape optime. Această lucrare stabilește un cadru teoretic pentru înțelegerea și stăpânirea designului receptorilor pentru a permite USD aproape optim de stări coerente.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard și N. David Mermin, Criptografia cuantică fără teorema lui Bell, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu și Pieter Kok, Geometric perspective on quantum parameter estimation, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu și 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. Opta. 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 și colab., Citire rapidă pe bază de poartă a punctelor cuantice de siliciu folosind amplificarea parametrică Josephson, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae și Leong-Chuan Kwek, Quantum state discrimination and its applications, J. Phys. A: Matematică. Teoretic. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir și SV Polyakov, Practical quantum-enhanced receivers for classical communication, 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 și Sergey V. Polyakov, Experimental shot-by-shot estimation of quantum measurement confidence, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal și Georges Kaddoum, Comunicarea optică în spațiu: provocări și tehnici de atenuare, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, Echivalența descrierilor mecanice semiclasice și cuantice ale fasciculelor de lumină statistice, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Stări coerente și incoerente ale câmpului de radiații, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Cum să diferențiezi stările non-ortogonale, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Suprapunerea și distincția stărilor cuantice, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres și Daniel R Terno, Optimal distinction between non-orthogonal quantum states, J. Phys. A: Matematică. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, O abordare de programare semidefinită pentru discriminarea optimă fără ambiguitate a stărilor cuantice, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Unambiguous discrimination between linearly independent quantum states, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia și Ramon Muñoz Tapia, Exact identification of a quantum change point, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato și Tsuyoshi Sasaki Usuda, Local unambiguous discrimination of symmetric ternary states, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas și Ramon Muñoz-Tapia, Online identification of symmetric pure states, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery și János A. Bergou, Discriminarea optimă fără ambiguitate între stările cuantice neortogonale liniar independente și realizarea sa optică, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik și Edgar Feldman, Optimal unambiguous discrimination of pure quantum states, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy și M. Lax, Testarea optimă a ipotezelor multiple în teoria detectării cuantice, IEEE Trans. Inf. Theory 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Teoria de detecție și estimare cuantică (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin și T. Mor, Criptografia cuantică cu stări coerente, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Receptor optim pentru criptografia cuantică cu două stări coerente, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Unambiguous state discrimination of coerent states with linear optics: Application to quantum cryptography, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma și Norbert Lütkenhaus, Discriminarea fără ambiguitate a stărilor în criptografia cuantică cu stări coerente slabe, 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 și Gerald S. Buller, Demonstrarea experimentală a semnăturilor digitale cuantice folosind stări coerente de lumină codificate în fază, Nat. comun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan și A. Migdall, Implementarea măsurătorilor cuantice generalizate pentru discriminarea neechivocă a stărilor multiple coerente non-ortogonale, Nat. comun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen și 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 și Ulrik L. Andersen, Măsurare generalizată adaptivă pentru discriminarea stării fără ambiguitate a stărilor coerente cu deplasare de fază cuaternară, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario și FE Becerra, Demonstration of optimal non-projective measurement of binary coerent states with photon counting, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi și S Guha, Achieving the holevo capacity of a pure state classical-quantum channel via unambiguo state discrimination, în 2013 IEEE International Symposium on Information Theory (2013) pp. 166–170.

[35] AS Holevo, Capacitatea canalului cuantic cu stări generale de semnal, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Receptoare optice structurate pentru a atinge capacitatea superaditivă și limita holevo, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton și JH Shapiro, Despre limita cuantică a comunicațiilor optice: coduri concatenate și receptori de detectare a comunității, în 2011 Simpozionul internațional IEEE privind lucrările teoriei informațiilor (2011) pp. 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari și Vittorio Giovannetti, Receptoare hadamard multifazate pentru comunicare clasică pe canale bosonice cu pierderi, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych și Gerd Leuchs, Demonstrarea discriminării stării coerente folosind un detector de rezoluție a numărului de fotoni controlat prin deplasare, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych și Gerd Leuchs, Discriminarea stărilor binare coerente folosind un detector homodin și un detector cu rezoluție a numărului de fotoni, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden și N. Gisin, Măsurarea cuantică neechivocă a stărilor nonorthogonale, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett și Erling Riis, Demonstrarea experimentală a discriminării optime de stat fără ambiguitate, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares și Matteo GA Paris, state gaussiene în informații cuantice variabile continue (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 și M. Napolitano, Exploring representation theory of unitary groups via linear optical passive devices, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson și Alex Arkhipov, The computational complexity of linear optics, în Proceedings of the fourty-third annual ACM symposium on Theory of computing (ACM, 2011) pp. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein și Philip Bertani, Realizarea experimentală a oricărui operator unitar discret, 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 și Ian A. Walmsley, Optimal design for universal multiport interferometers, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell și IA Walmsley, Further compactifying linear optical 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 și Ulrik L. Andersen, Receptor cuantic pentru schimbarea de fază la nivelul unui singur 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 și Mark M. Wilde, Quantum enigma machines and the locking capacity of a quantum channel, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia și 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 și Michael Gastpar, The case for structured random codes in network capacity theoremes, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Receptoare optice structurate pentru a atinge capacitatea superaditivă și limita holevo, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover și Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, Ed. a II-a, Vol. 2 (Wiley-Interscience, 11).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor și 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 și Saikat Guha, Analiza cu lungimea de cod finită a receptorului de anulare a formei de undă secvențială pentru m-ary psk, în 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) pp. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy și 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:2102.01622, arXiv:XNUMX:arXiv:XNUMX. .
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2102.01622
arXiv: arXiv: 2102.01622

[59] Ludovico Lami, Ascunderea datelor cuantice cu sisteme variabile continue, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Citat de

[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, Hend Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro și Angelo Bassi, „Fizica cuantică în spațiu”, Rapoarte de fizică 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa și Daniel KL Oi, „Finite key effects in satellite quantum key distribution”, Informații cuantice npj 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario și FE Becerra, „Demonstrarea măsurării optime neproiective a stărilor binare coerente cu numărarea fotonilor”, Informații cuantice npj 8, 84 (2022).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-06-01 02:15:37). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

On Serviciul citat de Crossref nu s-au găsit date despre citarea lucrărilor (ultima încercare 2023-06-01 02:15:35).

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic