Doğrusal optikler ve foto algılama, optimuma yakın, kesin, tutarlı durum ayrımcılığı sağlar

Doğrusal optikler ve foto algılama, optimuma yakın, kesin, tutarlı durum ayrımcılığı sağlar

Zaman Damgası: 31 Mayıs 2023 10:12
Kaynak Düğüm: 2691519

Jasminder S.Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saikat Guha2,3, ve Kozmo Lupo4,5

1SUPA Fizik Bölümü, Strathclyde Üniversitesi, Glasgow, G4 0NG, Birleşik Krallık
2Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Arizona Üniversitesi, Tucson, Arizona 85721, ABD
3Optik Bilimler Fakültesi, Arizona Üniversitesi, Tucson, Arizona 85721, ABD
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, İtalya
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, İtalya

Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.

Özet

Kuantum elektromanyetik alanın tutarlı durumları, ideal lazer ışığının kuantum tanımı, optik iletişim için bilgi taşıyıcıları olarak başlıca adaylardır. Kuantum sınırlı tahminleri ve ayrımları hakkında geniş bir literatür mevcuttur. Bununla birlikte, tutarlı durumların kesin durum ayrımcılığı (USD) için alıcıların pratik gerçekleştirmeleri hakkında çok az şey bilinmektedir. Burada bu boşluğu dolduruyoruz ve aşağıdakileri kullanmasına izin verilen alıcılarla bir USD teorisinin ana hatlarını çiziyoruz: pasif çok modlu doğrusal optik, faz-uzay yer değiştirmeleri, yardımcı vakum modları ve açık-kapalı foton tespiti. Sonuçlarımız, bazı rejimlerde, şu anda mevcut olan bu optik bileşenlerin, çoklu, çok modlu tutarlı durumların neredeyse optimuma yakın net ayrımını elde etmek için tipik olarak yeterli olduğunu göstermektedir.

Öne çıkan görsel: Çok modlu doğrusal pasif optik, faz-uzay yer değiştirme işlemleri, yardımcı vakum modları ve mod bazında açma-kapama foton algılamayı kullanan açık bir alıcı tasarımı örneği.

Popüler özet

Kuantumla geliştirilmiş alıcılar yeni kuantum teknolojilerinin öncüsüdür. Optik iletişimdeki uygulamalar için, çoklu ortogonal olmayan kuantum durumları için gelişmiş ayrım yetenekleri sağlarlar. Bu, kuantum algılama, iletişim ve hesaplamada bilgi taşıyıcıları olarak önemli rolleri göz önüne alındığında, zayıf tutarlı durum alfabeleri için özellikle önemlidir. İyi tasarlanmış bir kuantum alıcısı, pratikliği yüksek performansla birleştirir; burada ikincisi, göreve bağlı uygun bir liyakat rakamıyla ölçülür. Kesin durum ayrımcılığı (USD) çerçevesinde, kuantum alıcıları, bilinmeyen bir durumu hatasız olarak tanımlamak ve onun durumunu belirlemek için tasarlanmıştır. Performans, sonuçsuz bir olayın elde edilmesinin minimum ortalama olasılığına göre kıyaslanır.

Yarı kesin programlama ve hatta durumlardaki simetrinin izin verdiği durumlarda kesin analitik çözüm de dahil olmak üzere, farklı kuantum durumları aileleri için USD'nin küresel sınırını oluşturmaya adanmış geniş bir literatür gövdesi vardır. Bu yaklaşımlar, küresel olarak optimal USD ölçümleri için resmi matematiksel açıklamalar sağlar ancak açık veya uygulanabilir bir alıcı yapısı sağlamakta yetersiz kalır. Şaşırtıcı bir şekilde, faz kaydırmalı anahtarlama kümelerinin ötesinde tutarlı durumlar için pratik USD alıcıları ve bunların küresel sınırlara ulaşıp ulaşamayacağı hakkında çok az şey biliniyor.

Bu açığı kapatmak için USD için pratik ölçüm şemaları altında çalışan yeni bir teori oluşturuyoruz. Özellikle alıcılarımız, çok modlu doğrusal pasif optikler, faz-uzay yer değiştirme işlemleri, yardımcı vakum modları ve mod bazında açma-kapama foton tespiti gibi yalnızca sınırlı kaynaklardan yararlanır. Her biri tutarlı durum kümesinin belirli özelliklerine uygun birden fazla alıcı sınıfı geliştiriyoruz. Teorimizi bir dizi tutarlı durum modülasyonuna uyguluyoruz ve performansı ABD Doları üzerindeki mevcut küresel sınırlarla karşılaştırıyoruz. Bazı rejimlerde bu pratik ancak sınırlı fiziksel operasyonlar dizisinin genellikle optimuma yakın performans sağlamak için yeterli olduğunu gösterdik. Bu çalışma, tutarlı durumların optimale yakın USD'sini mümkün kılmak için alıcıların tasarımını anlamak ve bunlara hakim olmak için teorik bir çerçeve oluşturur.

► BibTeX verileri

► Referanslar

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard ve N. David Mermin, Bell teoremi olmadan Kuantum kriptografisi, Phys. Rahip Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu ve Pieter Kok, Kuantum parametre tahminine geometrik perspektif, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu ve Pieter Kok, Kuantum yayıcıların genel uzaysal deformasyonları için Kuantum avcısı bilgileri, 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 ve diğerleri, Advances in quantum cryptography, Adv. Opsiyonel 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 ve diğerleri, 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, ve diğerleri, Josephson parametrik amplifikasyonu kullanılarak silikon kuantum noktalarının hızlı geçit bazlı okunması, Phys. Rahip Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae ve Leong-Chuan Kwek, Kuantum durumu ayrımcılığı ve uygulamaları, J. Phys. C: Matematik. Teori. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir ve SV Polyakov, Klasik iletişim için pratik kuantumla geliştirilmiş alıcılar, 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 ve Sergey V. Polyakov, Kuantum ölçüm güveninin deneysel adım adım tahmini, Phys. Rahip Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal ve Georges Kaddoum, Uzayda optik iletişim: Zorluklar ve azaltma teknikleri, IEEE Communications Surveys & Tutorials 19, 57 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1109/​COMST.2016.2603518

[11] EKG Sudarshan, İstatistiksel ışık ışınlarının yarı klasik ve kuantum mekaniksel tanımlarının eşdeğerliği, Phys. Rahip Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Radyasyon alanının tutarlı ve tutarsız durumları, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Dik olmayan durumlar arasında nasıl ayrım yapılır, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Kuantum durumlarının örtüşmesi ve ayırt edilebilirliği, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres ve Daniel R Terno, Dik olmayan kuantum durumları arasında en uygun ayrım, J. Phys. C: Matematik. Gen. 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, Kuantum durumlarının optimal ve kesin ayrımcılığına yönelik yarı kesin bir programlama yaklaşımı, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Doğrusal olarak bağımsız kuantum durumları arasında kesin ayrımcılık, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia ve Ramon Muñoz Tapia, Kuantum değişim noktasının kesin tanımlanması, Phys. Rahip Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato ve Tsuyoshi Sasaki Usuda, Simetrik üçlü durumların yerel net ayrımcılığı, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas ve Ramon Muñoz-Tapia, Simetrik saf durumların çevrimiçi tanımlanması, Quantum 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery ve János A. Bergou, Doğrusal olarak bağımsız ortogonal olmayan kuantum durumları ve bunun optik gerçekleşmesi arasında optimum kesin ayrım, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futschik ve Edgar Feldman, Saf kuantum durumlarının en uygun şekilde kesin olarak ayırt edilmesi, Phys. Rahip Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy ve M. Lax, Kuantum algılama teorisinde çoklu hipotezlerin optimum testi, IEEE Trans. Enf. Teori 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Kuantum Algılama ve Tahmin Teorisi (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin ve T. Mor, Tutarlı durumlarla kuantum kriptografisi, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, İki tutarlı durumla kuantum kriptografisi için en uygun alıcı, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Doğrusal optikle tutarlı durumların kesin durum ayrımcılığı: Kuantum kriptografiye uygulama, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma ve Norbert Lütkenhaus, Zayıf tutarlı durumlarla kuantum kriptografisinde kesin durum ayrımcılığı, 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 ve Gerald S. Buller, Faz kodlu tutarlı ışık durumlarını kullanan kuantum dijital imzaların deneysel gösterimi, Nat. İletişim 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan ve A. Migdall, Çoklu ortogonal olmayan tutarlı durumların kesin olarak ayırt edilmesi için genelleştirilmiş kuantum ölçümlerinin uygulanması, Nat. İletişim 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen ve Ulrik L. Andersen, Foton tespiti ile geri besleme ölçümünün tomografisi, Phys. Rahip Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen ve Ulrik L. Andersen, Dördüncül faz kaydırmalı anahtarlama tutarlı durumlarının kesin durum ayrımcılığı için uyarlanabilir genelleştirilmiş ölçüm, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario ve FE Becerra, Foton sayımı ile ikili tutarlı durumların optimum projektif olmayan ölçümünün gösterilmesi, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi ve S Guha, Kesin durum ayrımcılığı yoluyla saf durum klasik kuantum kanalınınholevo kapasitesine ulaşmak, 2013 IEEE Uluslararası Bilgi Teorisi Sempozyumu (2013) s. 166–170.

[35] AS Holevo, Kuantum kanalının genel sinyal durumlarıyla kapasitesi, IEEE Trans. Enf. Teori 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Süper toplam kapasiteye ve holo sınırına ulaşmak için yapılandırılmış optik alıcılar, Phys. Rahip Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton ve JH Shapiro, Optik iletişimin kuantum sınırında: Birleştirilmiş kodlar ve ortak algılama alıcıları, 2011 IEEE Uluslararası Bilgi Teorisi Bildirileri Sempozyumu (2011) s. 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari ve Vittorio Giovannetti, Kayıplı bozonik kanallarda klasik iletişim için çok fazlı hadamard alıcıları, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych ve Gerd Leuchs, Yer değiştirme kontrollü foton sayısı çözümleyici detektör kullanılarak tutarlı durum ayrımcılığının gösterilmesi, Phys. Rahip Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych ve Gerd Leuchs, Bir homodin detektörü ve bir foton numarası çözümleme detektörü kullanılarak ikili tutarlı durumların ayrımı, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden ve N. Gisin, Ortogonal olmayan durumların kesin kuantum ölçümü, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett ve Erling Riis, Optimum kesin durum ayrımcılığının deneysel gösterimi, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares ve Matteo GA Paris, Gaussian, sürekli değişken kuantum bilgisinde belirtiyor (Bibliopolis (Napoli), 2005) arXiv:quant-ph/​0503237.
https:/​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.quant-ph/​0503237
arXiv: kuant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo ve M. Napolitano, Üniter grupların temsil teorisinin doğrusal optik pasif cihazlar aracılığıyla araştırılması, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson ve Alex Arkhipov, Doğrusal optiğin hesaplama karmaşıklığı, Bilgisayar Teorisi üzerine kırk üçüncü yıllık ACM sempozyumunun Bildirileri (ACM, 2011) s. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein ve Philip Bertani, Herhangi bir ayrık üniter operatörün deneysel olarak gerçekleştirilmesi, Phys. Rahip 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 ve Ian A. Walmsley, Evrensel çok portlu interferometreler için Optimal design, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell ve IA Walmsley, Doğrusal optik ünitelerin daha da kompaktlaştırılması, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo ve Ulrik L. Andersen, tek foton düzeyinde faz kaydırmalı anahtarlama için kuantum alıcısı, 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 ve Mark M. Wilde, Kuantum gizem makineleri ve bir kuantum kanalının kilitleme kapasitesi, Phys. Rev. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia ve R. Muñoz-Tapia, Arızalı kuantum cihazlarının tanımlanması, 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 ve Michael Gastpar, Ağ kapasitesi teoremlerinde yapılandırılmış rastgele kodlar için durum, Avrupa Telekomünikasyon İşlemleri 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Süper toplam kapasiteye ve holo sınırına ulaşmak için yapılandırılmış optik alıcılar, Phys. Rahip Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover ve Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2. baskı, Cilt. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor ve Sergio Verdu, Sonlu blok uzunluğu rejiminde kanal kodlama hızı, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair ve Saikat Guha, m-ary psk için sıralı dalga biçimi sıfırlama alıcısının sonlu kod uzunluğu analizi, 2015 IEEE Uluslararası Bilgi Teorisi Sempozyumu (ISIT) (2015) s. 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

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

[58] Krishna Kumar Sabapathy ve Andreas Winter, Bozonik veri gizleme: Doğrusal ve doğrusal olmayan optiğin gücü, 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, Sürekli değişken sistemlerle kuantum verilerinin saklanması, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Alıntılama

[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 ve Angelo Bassi, “Uzayda kuantum fiziği”, Fizik Raporları 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa ve Daniel KL Oi, "Uydu kuantum anahtar dağıtımında sonlu anahtar etkiler", npj Kuantum Bilgisi 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario ve FE Becerra, “Foton sayımı ile ikili tutarlı durumların optimal projektif olmayan ölçümünün gösterilmesi”, npj Kuantum Bilgisi 8, 84 (2022).

Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2023-06-01 02:15:37) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.

On Crossref'in alıntı yaptığı hizmet alıntı yapma çalışmaları ile ilgili veri bulunamadı (son deneme 2023-06-01 02:15:35).

Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.

Zaman Damgası:

Den fazla Kuantum Günlüğü