Linearna optika in fotodetekcija dosegata skoraj optimalno nedvoumno koherentno razlikovanje stanja

Linearna optika in fotodetekcija dosegata skoraj optimalno nedvoumno koherentno razlikovanje stanja

Časovni žig: 31. maj 2023 10:12
Izvorno vozlišče: 2691519

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

1Oddelek za fiziko SUPA, Univerza Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Združeno kraljestvo
2Oddelek za elektrotehniko in računalništvo, Univerza v Arizoni, Tucson, Arizona 85721, ZDA
3Visoka šola za optične znanosti, Univerza v Arizoni, Tucson, Arizona 85721, ZDA
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Italija
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Italija

Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.

Minimalizem

Koherentna stanja kvantnega elektromagnetnega polja, kvantni opis idealne laserske svetlobe, so glavni kandidati za nosilce informacij za optične komunikacije. Obstaja veliko literature o njihovi kvantno omejeni oceni in diskriminaciji. Vendar pa je zelo malo znanega o praktičnih realizacijah sprejemnikov za nedvoumno razlikovanje stanja (USD) koherentnih stanj. Tukaj zapolnjujemo to vrzel in opisujemo teorijo USD s sprejemniki, ki jih je dovoljeno uporabljati: pasivno večmodno linearno optiko, premike faznega prostora, pomožne vakuumske načine in zaznavanje fotonov vklop-izklop. Naši rezultati kažejo, da v nekaterih režimih te trenutno razpoložljive optične komponente običajno zadostujejo za doseganje skoraj optimalne nedvoumne diskriminacije več, večmodnih koherentnih stanj.

Predstavljena slika: Primer eksplicitne zasnove sprejemnika z uporabo večnačinovne linearne pasivne optike, operacij zamika med faznim prostorom, pomožnih vakuumskih načinov in zaznavanja fotonov vklop-izklop glede na način.

Priljubljen povzetek

Kvantno izboljšani sprejemniki so na čelu novih kvantnih tehnologij. Za aplikacije v optičnih komunikacijah zagotavljajo izboljšane diskriminatorne zmožnosti za več neortogonalnih kvantnih stanj. To je še posebej pomembno za abecede šibkih koherentnih stanj glede na njihovo ključno vlogo kot nosilci informacij v kvantnem zaznavanju, komunikaciji in računalništvu. Dobro zasnovan kvantni sprejemnik združuje praktičnost z visoko zmogljivostjo, pri čemer je slednja kvantificirana s primerno vrednostjo odvisne od naloge. V okviru nedvoumne diskriminacije stanja (USD) so kvantni sprejemniki zasnovani tako, da brez napak identificirajo neznano stanje in njegovo uspešnost se primerja glede na najmanjšo povprečno verjetnost, da pride do nedokončnega dogodka.

Obstaja veliko literature, posvečene določanju globalne meje za USD za različne družine kvantnih stanj, vključno s poldoločenim programiranjem in celo natančnimi analitičnimi rešitvami, kjer to dovoljuje simetrija v stanjih. Ti pristopi zagotavljajo formalne matematične opise za globalno optimalne meritve USD, vendar ne zagotavljajo eksplicitne ali izvedljive konstrukcije sprejemnika. Presenetljivo je zelo malo znanega o praktičnih sprejemnikih USD za koherentna stanja, ki presegajo konstelacije s faznim zamikom, in o tem, ali lahko dosežejo globalne meje.

Da bi zapolnili to vrzel, vzpostavimo novo teorijo za USD, ki deluje v okviru praktičnih merilnih shem. Zlasti naši sprejemniki izkoriščajo le omejene vire, kot so večnačinovna linearna pasivna optika, operacije zamika med faznim prostorom, pomožni vakuumski načini in zaznavanje fotonov po načinu vklopa in izklopa. Razvijamo več razredov sprejemnikov, od katerih je vsak primeren za specifične lastnosti konstelacije koherentnega stanja. Našo teorijo uporabljamo za številne modulacije koherentnega stanja in primerjamo uspešnost z obstoječimi globalnimi mejami USD. Dokazujemo, da v nekaterih režimih ta praktičen, a omejen nabor fizičnih operacij običajno zadostuje za zagotavljanje skoraj optimalne zmogljivosti. To delo vzpostavlja teoretični okvir za razumevanje in obvladovanje zasnove sprejemnikov, ki omogoča skoraj optimalno USD koherentnih stanj.

► BibTeX podatki

► Reference

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard in N. David Mermin, Kvantna kriptografija brez Bellovega izreka, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu in Pieter Kok, Geometrična perspektiva ocenjevanja kvantnih parametrov, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu in 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., Napredek v kvantni kriptografiji, 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., Napredek v vesoljskih kvantnih komunikacijah, 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., Hitro odčitavanje silicijevih kvantnih pik na podlagi vrat z uporabo josephsonovega parametričnega ojačanja, Phys. Rev. Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae in Leong-Chuan Kwek, Kvantna diskriminacija stanja in njene aplikacije, J. Phys. O: Matematika. Teoret. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir in SV Polyakov, Praktični kvantno izboljšani sprejemniki za klasično komunikacijo, 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 in Sergey V. Polyakov, Eksperimentalna ocena zanesljivosti kvantne meritve posnetek za posnetkom, Phys. Rev. Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal in Georges Kaddoum, Optična komunikacija v vesolju: Izzivi in ​​tehnike ublažitve, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, Ekvivalenca semiklasičnih in kvantno mehanskih opisov statističnih svetlobnih žarkov, Phys. Rev. Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Koherentna in nekoherentna stanja sevalnega polja, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Kako razlikovati med neortogonalnimi stanji, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Prekrivanje in razlikovanje kvantnih stanj, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres in Daniel R Terno, Optimalno razlikovanje med neortogonalnimi kvantnimi stanji, J. Phys. O: Matematika. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, Semidefinite programming pristop k optimalni nedvoumni diskriminaciji kvantnih stanj, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Nedvoumna diskriminacija med linearno neodvisnimi kvantnimi stanji, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia in Ramon Muñoz Tapia, Natančna identifikacija točke kvantne spremembe, Phys. Rev. Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato in Tsuyoshi Sasaki Usuda, Lokalna nedvoumna diskriminacija simetričnih ternarnih stanj, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas in Ramon Muñoz-Tapia, Spletna identifikacija simetričnih čistih stanj, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery in János A. Bergou, Optimalna nedvoumna diskriminacija med linearno neodvisnimi neortogonalnimi kvantnimi stanji in njena optična realizacija, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik in Edgar Feldman, Optimalna nedvoumna diskriminacija čistih kvantnih stanj, Phys. Rev. Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy in M. Lax, Optimalno testiranje več hipotez v teoriji kvantne detekcije, IEEE Trans. Inf. Teorija 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Teorija kvantnega odkrivanja in ocenjevanja (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin in T. Mor, Kvantna kriptografija s koherentnimi stanji, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Optimalni sprejemnik za kvantno kriptografijo z dvema koherentnima stanjema, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Nedvoumna diskriminacija stanja koherentnih stanj z linearno optiko: uporaba kvantne kriptografije, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma in Norbert Lütkenhaus, Nedvoumna diskriminacija stanj v kvantni kriptografiji s šibkimi koherentnimi stanji, 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 in Gerald S. Buller, Eksperimentalna predstavitev kvantnih digitalnih podpisov z uporabo fazno kodiranih koherentnih stanj svetlobe, Nat. Komun. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan in A. Migdall, Implementacija posplošenih kvantnih meritev za nedvoumno razlikovanje večkratnih neortogonalnih koherentnih stanj, Nat. Komun. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen in Ulrik L. Andersen, Tomografija merjenja povratne zanke z detekcijo fotonov, Phys. Rev. Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen in Ulrik L. Andersen, Prilagodljivo posplošeno merjenje za nedvoumno razlikovanje stanj kvartarnih koherentnih stanj s faznim premikom, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario in FE Becerra, Demonstracija optimalne neprojektivne meritve binarnih koherentnih stanj s štetjem fotonov, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi in ​​S Guha, Doseganje holevo zmogljivosti klasičnega kvantnega kanala v čistem stanju prek nedvoumne diskriminacije stanja, leta 2013 na mednarodnem simpoziju IEEE o teoriji informacij (2013), str. 166–170.

[35] AS Holevo, Zmogljivost kvantnega kanala s splošnimi signalnimi stanji, IEEE Trans. Inf. Theory 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Strukturirani optični sprejemniki za doseganje superaditivne zmogljivosti in meje holevo, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

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

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari in Vittorio Giovannetti, Večfazni hadamardovi sprejemniki za klasično komunikacijo na bozonskih kanalih z izgubo, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych in Gerd Leuchs, Demonstracija diskriminacije koherentnega stanja z uporabo detektorja, ki ločuje število fotonov s premikom, Phys. Rev. Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych in Gerd Leuchs, Diskriminacija binarnih koherentnih stanj z uporabo homodinskega detektorja in detektorja za ločevanje števila fotonov, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden in N. Gisin, Nedvoumno kvantno merjenje neortogonalnih stanj, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett in Erling Riis, Eksperimentalna predstavitev optimalne nedvoumne diskriminacije stanja, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares in Matteo GA Paris, Gaussova stanja v zvezni spremenljivi kvantni informaciji (Bibliopolis (Napoli), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
arXiv: kvant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo in M. Napolitano, Raziskovanje teorije reprezentacije enotnih skupin prek linearnih optičnih pasivnih naprav, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson in Alex Arkhipov, Računska kompleksnost linearne optike, v zborniku triinštiridesetega letnega simpozija ACM o teoriji računalništva (ACM, 2011), str. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein in Philip Bertani, Eksperimentalna realizacija katerega koli diskretnega unitarnega operaterja, 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 in Ian A. Walmsley, Optimalna zasnova za univerzalne večportne interferometre, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell in IA Walmsley, Nadaljnja kompaktizacija linearnih optičnih enot, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo in Ulrik L. Andersen, Kvantni sprejemnik za fazno premikanje na nivoju enega fotona, 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 in 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 in R. Muñoz-Tapia, Identifikacija okvarjenih kvantnih naprav, 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 in Michael Gastpar, Primer strukturiranih naključnih kod v teoremih o zmogljivosti omrežja, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Strukturirani optični sprejemniki za doseganje superaditivne zmogljivosti in meje holevo, Phys. Rev. Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover in Joy A. Thomas, Elementi informacijske teorije, 2. izdaja, letnik. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor in Sergio Verdu, Hitrost kodiranja kanala v režimu končne dolžine bloka, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair in Saikat Guha, Analiza končne kodne dolžine zaporednega izničevalnega sprejemnika valovne oblike za m-ary psk, leta 2015 na mednarodnem simpoziju IEEE o teoriji informacij (ISIT) (2015), str. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

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

[59] Ludovico Lami, Kvantno skrivanje podatkov s sistemi zveznih spremenljivk, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Navedel

[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 in Angelo Bassi, "Kvantna fizika v vesolju", Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa in Daniel KL Oi, »Finite key effects in satelit quantum key distribution«, npj Kvantne informacije 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario in FE Becerra, »Demonstracija optimalne neprojektivne meritve binarnih koherentnih stanj s štetjem fotonov«, npj Kvantne informacije 8, 84 (2022).

Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2023-06-01 02:15:37). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.

On Crossref je navedel storitev ni bilo najdenih podatkov o navajanju del (zadnji poskus 2023-06-01 02:15:35).

Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.

Časovni žig:

Več od Quantum Journal