Линейная оптика и фотодетектирование обеспечивают почти оптимальную однозначную дискриминацию когерентного состояния

Линейная оптика и фотодетектирование обеспечивают почти оптимальную однозначную дискриминацию когерентного состояния

Отметка времени: 31 мая 2023 г., 10:12
Исходный узел: 2691519

Жасминдер С. Сидху1, Майкл С. Буллок2, Сайкат Гуха2,3и Космо Лупо4,5

1SUPA Факультет физики, Университет Стратклайда, Глазго, G4 0NG, Великобритания
2Факультет электротехники и вычислительной техники, Аризонский университет, Тусон, Аризона 85721, США
3Колледж оптических наук, Аризонский университет, Тусон, Аризона 85721, США
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Политехнический и университет Бари, 70126 Бари, Италия
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Бари, Италия

Находите эту статью интересной или хотите обсудить? Scite или оставить комментарий на SciRate.

Абстрактные

Когерентные состояния квантового электромагнитного поля, квантовое описание идеального лазерного излучения, являются первыми кандидатами в качестве носителей информации для оптических коммуникаций. Существует большое количество литературы по их квантово-ограниченной оценке и различению. Однако очень мало известно о практических реализациях приемников для однозначной дискриминации состояний (УС) когерентных состояний. Здесь мы заполняем этот пробел и обрисовываем теорию USD с приемниками, которые разрешено использовать: пассивная многомодовая линейная оптика, смещения фазового пространства, вспомогательные вакуумные моды и детектирование фотонов. Наши результаты показывают, что в некоторых режимах этих доступных в настоящее время оптических компонентов обычно достаточно для достижения почти оптимальной однозначной дискриминации нескольких многомодовых когерентных состояний.

Рекомендуемое изображение: пример явной конструкции приемника с использованием многорежимной линейной пассивной оптики, операций фазового смещения, вспомогательных вакуумных режимов и помодового включения-выключения обнаружения фотонов.

Популярное резюме

Приемники с квантовым усилением находятся в авангарде новых квантовых технологий. Для приложений оптической связи они обеспечивают улучшенные возможности различения множества неортогональных квантовых состояний. Это особенно важно для слабых когерентных алфавитов состояний, учитывая их ключевую роль в качестве носителей информации в квантовом восприятии, коммуникации и вычислениях. Хорошо спроектированный квантовый приемник сочетает в себе практичность с высокой производительностью, где последняя количественно определяется подходящим показателем качества, зависящим от задачи. В рамках однозначной дискриминации состояний (USD) квантовые приемники предназначены для безошибочной идентификации неизвестного состояния и его производительность оценивается с точки зрения минимальной средней вероятности получения неубедительного события.

Существует большое количество литературы, посвященной установлению глобальной границы для USD для различных семейств квантовых состояний, включая полуопределенное программирование и даже точное аналитическое решение, где позволяет симметрия в состояниях. Эти подходы обеспечивают формальные математические описания для глобально оптимальных измерений доллара США, но не обеспечивают явную или осуществимую конструкцию приемника. Удивительно, но очень мало известно о практических приемниках USD для когерентных состояний за пределами созвездий с фазовой манипуляцией и о том, могут ли они достичь глобальных границ.

Чтобы заполнить этот пробел, мы создаем новую теорию для доллара США, которая работает в рамках практических схем измерения. В частности, наши приемники используют только ограниченные ресурсы, такие как многорежимная линейная пассивная оптика, операции смещения фазового пространства, вспомогательные вакуумные режимы и обнаружение фотонов в зависимости от режима. Мы разрабатываем несколько классов приемников, каждый из которых соответствует определенным свойствам когерентного созвездия состояний. Мы применяем нашу теорию к ряду модуляций когерентного состояния и сравниваем производительность с существующими глобальными ограничениями для доллара США. Мы показываем, что в некоторых режимах этого практичного, но ограниченного набора физических операций обычно достаточно для обеспечения почти оптимальной производительности. Эта работа устанавливает теоретическую основу для понимания и освоения конструкции приемников, чтобы обеспечить почти оптимальное значение доллара США когерентных состояний.

► Данные BibTeX

► Рекомендации

[1] Чарльз Х. Беннетт, Жиль Брассар и Н. Дэвид Мермин, Квантовая криптография без теоремы Белла, Phys. Преподобный Летт. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Джасминдер С. Сидху и Питер Кок, Геометрическая перспектива оценки квантовых параметров, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Джасминдер С. Сидху и Питер Кок, Информация квантового рыбака для общих пространственных деформаций квантовых излучателей, 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] С. Пирандола, У. Л. Андерсен, Л. Банки, М. Берта, Д. Бунандар, Р. Колбек, Д. Инглунд, Т. Геринг, К. Лупо, К. Оттавиани и др., Достижения в области квантовой криптографии, Adv. Опц. Фотон. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502

[5] Джасминдер С. Сидху, Сиддарт К. Джоши, Мустафа Гюндоган, Томас Брум, Дэвид Лаундс, Лука Маццарелла, Маркус Крутзик, Сонали Мохапатра, Даниэле Декуал, Джузеппе Валлоне и др., Достижения в области космических квантовых коммуникаций, IET Quantum Communication, 1 ( 2021а).
https://​/​doi.org/​10.1049/​qtc2.12015

[6] С. Шааль, И. Ахмед, Дж. А. Хэй, Л. Хутин, Б. Бертран, С. Барро, М. Вине, К.-М. Ли, Н. Стельмашенко, Дж. В. А. Робинсон и др., Быстрое считывание кремниевых квантовых точек на основе затвора с использованием параметрического усиления Джозефсона, Phys. Преподобный Летт. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae и Leong-Chuan Kwek, Различение квантовых состояний и его приложения, J. Phys. А: Математика. Теор. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] И.А. Буренков, М.В. Джабир и С.В. Поляков, Практические приемники с квантовым усилением для классической связи, AVS Quantum Science 3 (2021), https://​/​doi.org/​10.1116/​5.0036959.
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0036959

[9] Иван А. Буренков, Н. Фаджар Р. Аннафианто, М. В. Джабир, Майкл Уэйн, Абделла Батту и Сергей В. Поляков, Экспериментальная поэтапная оценка достоверности квантовых измерений, Phys. Преподобный Летт. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Хемани Каушал и Жорж Каддум, Оптическая связь в космосе: проблемы и методы смягчения последствий, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] ЭКГ Сударшан, Эквивалентность квазиклассического и квантово-механического описания статистических световых лучей, Phys. Преподобный Летт. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Рой Дж. Глаубер, Когерентные и некогерентные состояния поля излучения, Phys. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] И. Д. Иванович, Как различать неортогональные состояния, Phys. лат. А 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] Д. Дикс, Перекрытие и различимость квантовых состояний, Phys. лат. А 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Ашер Перес и Дэниел Р. Терно, Оптимальное различие между неортогональными квантовыми состояниями, J. Phys. А: Математика. Ген. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] Ю. К. Эльдар, Подход полуопределенного программирования к оптимальному однозначному различению квантовых состояний, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Энтони Чефлес, Однозначное различение между линейно независимыми квантовыми состояниями, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Гаэль Сентис, Джон Калсамилья и Рамон Муньос Тапиа, Точное определение точки квантового изменения, Phys. Преподобный Летт. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Кенджи Накахира, Кентаро Като и Цуёси Сасаки Усуда, Локальное однозначное различение симметричных тройных состояний, Phys. Ред. А 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Гаэль Сентис, Эстебан Мартинес-Варгас и Рамон Муньос-Тапия, Онлайн-идентификация симметричных чистых состояний, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Юцин Сунь, Марк Хиллери и Янош А. Бергу, Оптимальное однозначное различение между линейно независимыми неортогональными квантовыми состояниями и его оптической реализацией, Phys. Ред. А 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] Янош А. Бергу, Ульрике Фучик и Эдгар Фельдман, Оптимальное однозначное различение чистых квантовых состояний, Phys. Преподобный Летт. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] Х. Юэнь, Р. Кеннеди и М. Лакс, Оптимальная проверка множественных гипотез в теории квантового обнаружения, IEEE Trans. Инф. Теория 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Карл В. Хелстром, Теория квантового обнаружения и оценки (Academic Press Inc., 1976).

[25] Б. Хаттнер, Н. Имото, Н. Гизин и Т. Мор, Квантовая криптография с когерентными состояниями, Phys. Ред. А 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Конрад Банашек, Оптимальный приемник для квантовой криптографии с двумя когерентными состояниями, Phys. лат. А 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] С. Дж. ван Энк, Однозначное распознавание когерентных состояний с помощью линейной оптики: приложение к квантовой криптографии, Phys. Ред. А 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Милослав Душек, Мика Яхма и Норберт Люткенхаус, Однозначное различение состояний в квантовой криптографии со слабыми когерентными состояниями, Phys. Ред. А 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306

[29] Патрик Дж. Кларк, Роберт Дж. Коллинз, Ведран Дунько, Эрика Андерссон, Джон Джефферс и Джеральд С. Буллер, Экспериментальная демонстрация квантовых цифровых подписей с использованием когерентных состояний света с фазовым кодированием, Nat. коммун. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan, and A. Migdall, Реализация обобщенных квантовых измерений для однозначного различения нескольких неортогональных когерентных состояний, Nat. коммун. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Шуро Идзуми, Йонас С. Нергаард-Нильсен и Ульрик Л. Андерсен, Томография измерения обратной связи с обнаружением фотонов, Phys. Преподобный Летт. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Шуро Идзуми, Йонас С. Ниргаард-Нильсен и Ульрик Л. Андерсен, Адаптивное обобщенное измерение для однозначного различения состояний четырехкомпонентных когерентных состояний с фазовой манипуляцией, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] М.Т. ДиМарио и Ф.Е. Бесерра, Демонстрация оптимального непроективного измерения бинарных когерентных состояний с помощью подсчета фотонов, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] М. Такеока, Х. Крови и С. Гуха, Достижение холевской пропускной способности классического квантового канала в чистом состоянии с помощью однозначной дискриминации состояний, Международный симпозиум IEEE по теории информации, 2013 г. (2013), стр. 166–170.

[35] А.С. Холево, Пропускная способность квантового канала с общими состояниями сигнала, IEEE Trans. Инф. Теория 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Сайкат Гуха, Структурированные оптические приемники для достижения сверхаддитивной емкости и предела Холево, Phys. Преподобный Летт. 106, 240502 (2011а).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] С. Гуха, З. Даттон и Дж. Х. Шапиро, О квантовом пределе оптической связи: каскадные коды и приемники с совместным обнаружением, Международный симпозиум IEEE по материалам теории информации, 2011 г. (2011 г.), стр. 274–278.

[38] Маттео Росати, Андреа Мари и Витторио Джованнетти, Многофазные приемники Адамара для классической связи по бозонным каналам с потерями, Phys. Ред. А 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Кристофер Виттманн, Ульрик Л. Андерсен, Масахиро Такеока, Денис Сич и Герд Лейхс, Демонстрация распознавания когерентных состояний с использованием детектора с разрешением числа фотонов, управляемого смещением, Phys. Преподобный Летт. 104, 100505 (2010а).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Кристоффер Виттманн, Ульрик Л. Андерсен, Масахиро Такеока, Денис Сых и Герд Лейхс, Распознавание бинарных когерентных состояний с использованием гомодинного детектора и детектора с разрешением числа фотонов, Phys. Ред. А 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] Б. Хаттнер, А. Мюллер, Дж. Д. Готье, Х. Збинден и Н. Гизин, Однозначное квантовое измерение неортогональных состояний, Phys. Ред. А 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Роджер Б.М. Кларк, Энтони Чефлес, Стивен М. Барнетт и Эрлинг Риис, Экспериментальная демонстрация оптимального однозначного различения состояний, Phys. Ред. А 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Алессандро Ферраро, Стефано Оливарес и Маттео Г.А. Пэрис, Гауссовские состояния в непрерывной переменной квантовой информации (Библиополис (Наполи), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
Arxiv: колич-фот / 0503237

[44] П. Аньелло, К. Лупо и М. Наполитано, Изучение теории представления унитарных групп с помощью линейных оптических пассивных устройств, Открытые системы и информационная динамика, 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Скотт Ааронсон и Алекс Архипов, Вычислительная сложность линейной оптики, в материалах сорок третьего ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений (ACM, 2011), стр. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Майкл Рек, Антон Цайлингер, Герберт Дж. Бернштейн и Филип Бертани, Экспериментальная реализация любого дискретного унитарного оператора, Phys. Преподобный Летт. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[47] Уильям Р. Клементс, Питер К. Хамфрис, Бенджамин Дж. Меткалф, В. Стивен Колтхаммер и Ян А. Уолмсли, Оптимальный дизайн универсальных многопортовых интерферометров, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] Б. А. Белл и И. А. Уолмсли, Дальнейшая компактификация линейных оптических унитаров, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Джасминдер С. Сидху, Шуро Идзуми, Йонас С. Ниргаард-Нильсен, Космо Лупо и Ульрик Л. Андерсен, Квантовый приемник для фазовой манипуляции на однофотонном уровне, PRX Quantum 2, 010332 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010332

[50] Сайкат Гуха, Патрик Хайден, Хари Крови, Сет Ллойд, Космо Лупо, Джеффри Х. Шапиро, Масахиро Такеока и Марк М. Уайлд, Квантовые загадочные машины и блокирующая способность квантового канала, Phys. Ред. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] М. Скотиниотис, Р. Хоц, Дж. Калсамилья и Р. Муньос-Тапия, Идентификация неисправных квантовых устройств, arXiv:1808.02729 (2018 г.), 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] Бобак Назер и Майкл Гастпар, Случай структурированных случайных кодов в теоремах о пропускной способности сети, Европейские транзакции по телекоммуникациям, 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Сайкат Гуха, Структурированные оптические приемники для достижения сверхаддитивной емкости и предела Холево, Phys. Преподобный Летт. 106, 240502 (2011б).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Томас М. Ковер и Джой А. Томас, Элементы теории информации, 2-е изд., Vol. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Юрий Полянский, Х. Винсент Пур и Серджио Верду, Скорость кодирования канала в режиме конечной длины блока, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Си-Хуи Тан, Закари Даттон, Ранджит Наир и Сайкат Гуха, Анализ конечной длины кода приемника с последовательным обнулением формы сигнала для m-ary psk, Международный симпозиум IEEE по теории информации (ISIT) 2015 г. (2015), стр. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

[57] Манкей Цанг, Квантовая информация Пуассона, Quantum 5, 527 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-08-19-527

[58] Кришна Кумар Сабапати и Андреас Винтер, Бозонное сокрытие данных: мощность линейной и нелинейной оптики, 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] Людовико Лами, Сокрытие квантовых данных с помощью систем с непрерывными переменными, Phys. Ред. А 104, 052428 (2021 г.).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Цитируется

[1] Алессио Беленчиа, Маттео Карлессо, Омер Байрактар, Даниэле Декуаль, Иван Деркач, Джулио Гасбарри, Вальдемар Херр, Ин Лиа Ли, Маркус Радемахер, Ясминдер Сидху, Даниэль К.Л. Ой, Стефан Т. Зайдель, Райнер Калтенбек, Кристоф Марквардт, Хендрик Ульбрихт, Владислав С. Усенко, Лиза Вернер, Андре Сюреб, Мауро Патерностро и Анджело Басси, «Квантовая физика в космосе», Отчеты по физике 951, 1 (2022).

[2] Джасминдер С. Сидху, Томас Брум, Дункан Макартур, Роберто Дж. Поуза и Дэниел К.Л. Ой, «Эффекты конечных ключей в спутниковом распределении квантовых ключей», npj Квантовая информация 8, 18 (2022).

[3] М.Т. ДиМарио и Ф.Е. Бесерра, «Демонстрация оптимального непроективного измерения бинарных когерентных состояний с помощью подсчета фотонов», npj Квантовая информация 8, 84 (2022).

Приведенные цитаты из САО / НАСА ADS (последнее обновление успешно 2023-06-01 02:15:37). Список может быть неполным, поскольку не все издатели предоставляют подходящие и полные данные о цитировании.

On Цитируемый сервис Crossref Данные о цитировании работ не найдены (последняя попытка 2023-06-01 02:15:35).

Эта статья опубликована в Quantum под Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия. Авторское право остается за первоначальными правообладателями, такими как авторы или их учреждения.

Отметка времени:

Больше от Квантовый журнал