Linear Optics And Photodetection Achieve Near-optimal Unambiguous Coherent State Discrimination

Перевидано Платоном

читають: 0

Жасндер С. Сідху¹, Майкл С. Баллок², Сайкат Гуха^2,3 та Космо Лупо^4,5

¹Кафедра фізики SUPA, Університет Стратклайд, Глазго, G4 0NG, Великобританія
²Департамент електротехніки та комп’ютерної інженерії, Університет Арізони, Тусон, Арізона 85721, США
³Коледж оптичних наук, Університет Арізони, Тусон, Арізона 85721, США
⁴Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Італія
⁵INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Італія

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Когерентні стани квантового електромагнітного поля, квантовий опис ідеального лазерного світла, є головними кандидатами в якості носіїв інформації для оптичного зв’язку. Існує велика кількість літератури щодо їх квантово-обмеженої оцінки та розрізнення. Однак про практичну реалізацію приймачів однозначного розрізнення когерентних станів (УСД) відомо дуже мало. Тут ми заповнюємо цю прогалину та окреслюємо теорію USD із приймачами, які дозволено використовувати: пасивну багатомодову лінійну оптику, фазово-просторові зміщення, допоміжні вакуумні моди та детектування фотонів у режимі on-off. Наші результати показують, що в деяких режимах цих доступних на даний момент оптичних компонентів зазвичай достатньо для досягнення майже оптимального однозначного розрізнення множинних багатомодових когерентних станів.

Рекомендоване зображення: приклад явного дизайну приймача з використанням багатомодової лінійної пасивної оптики, операцій зміщення фазового простору, допоміжних вакуумних режимів і режимного детектування фотонів.

► Дані BibTeX

@article{Sidhu2023linearoptics, doi = {10.22331/q-2023-05-31-1025}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2023-05-31-1025}, title = {Лінійна оптика і фотодетектування досягають майже оптимального однозначного когерентного розрізнення стану}, автор = {Sidhu, Jasminder S. and Bullock, Michael S. and Guha, Saikat and Lupo, Cosmo}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X }, видавець = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in den Quantenwissenschaften}}, том = {7}, сторінок = {1025}, місяць = травень, рік = {2023} }

► Список літератури

[1] Чарльз Г. Беннетт, Жиль Брассар і Н. Девід Мермін, Квантова криптографія без теореми Белла, Phys. Преподобний Летт. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Джасміндер С. Сідху та Пітер Кок, Геометрична перспектива оцінки квантових параметрів, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Джасміндер С. Сідху та Пітер Кок, Квантова інформація Фішера для загальних просторових деформацій квантових випромінювачів, 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. Пірандола, У. Л. Андерсен, Л. Банчі, М. Берта, Д. Бунандар, Р. Колбек, Д. Енглунд, Т. Герінг, К. Лупо, К. Оттавіані та ін., Досягнення в квантовій криптографії, Adv. Opt. Фотон. 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] С. Шаал, І. Ахмед, Дж. А. Хей, Л. Хутін, Б. Бертран, С. Барро, М. Віне, К.-М. Лі, Н. Стельмашенко, Дж. В. А. Робінсон та ін., Швидке зчитування кремнієвих квантових точок на основі вентиля з використанням параметричного підсилення Джозефсона, Phys. Преподобний Летт. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae і Leong-Chuan Kwek, Квантова дискримінація стану та її застосування, J. Phys. В: Математика. Теорет. 48, 083001 (2015).
https://doi.org/10.1088/1751-8113/48/8/083001

[8] І. А. Буренков, М. В. Джабір і С. В. Поляков, Практичні квантово-розширені приймачі для класичного зв’язку, AVS Quantum Science 3 (2021), https:///doi.org/10.1116/5.0036959.
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0036959

[9] Іван А. Буренков, Н. Фаджар Р. Аннафіанто, М. В. Джабір, Майкл Уейн, Абделла Батту та Сергій В. Поляков, Експериментальна покрокова оцінка впевненості квантових вимірювань, Phys. Преподобний Летт. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Хемані Каушал і Жорж Каддум, Оптичний зв’язок у космосі: Проблеми та методи пом’якшення, Опитування та навчальні посібники IEEE Communications 19, 57 (2017).
https:///doi.org/10.1109/COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, Еквівалентність напівкласичних і квантово-механічних описів статистичних світлових пучків, Phys. Преподобний Летт. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Рой Дж. Глаубер, Когерентні та некогерентні стани поля випромінювання, Phys. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev.131.2766

[13] ID Ivanovic, Як розрізнити неортогональні стани, Phys. Lett. A 123, 257 (1987).
https://doi.org/10.1016/0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Перекриття та розрізнення квантових станів, Phys. Lett. A 126, 303 (1988).
https://doi.org/10.1016/0375-9601(88)90840-7

[15] Ашер Перес і Даніель Терно, Оптимальне розрізнення неортогональних квантових станів, J. Phys. В: Математика. Gen. 31, 7105 (1998).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/31/34/013

[16] YC Eldar, Напіввизначений програмний підхід до оптимального однозначного розрізнення квантових станів, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2002.807291

[17] Ентоні Чефлз, Однозначне розрізнення лінійно незалежних квантових станів, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(98)00064-4

[18] Гаель Сентіс, Джон Калсамілья та Рамон Муньос Тапіа, Точна ідентифікація точки квантової зміни, Phys. Преподобний Летт. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Кендзі Накахіра, Кентаро Като та Цуйоші Сасакі Усуда, Локальна однозначна дискримінація симетричних потрійних станів, Phys. Rev. A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Гаель Сентіс, Естебан Мартінес-Варгас і Рамон Муньос-Тапіа, Онлайн-ідентифікація симетричних чистих станів, Квант 6, 658 (2022).
https://doi.org/10.22331/q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery та János A. Bergou, Оптимальна однозначна дискримінація між лінійно незалежними неортогональними квантовими станами та її оптична реалізація, Phys. Rev. A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] Янош А. Бергоу, Ульріке Фучік та Едгар Фельдман, Оптимальна однозначна дискримінація чистих квантових станів, Phys. Преподобний Летт. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] Х. Юен, Р. Кеннеді та М. Лакс, Оптимальне тестування кількох гіпотез у теорії квантового виявлення, IEEE Trans. Інф. Теорія 21, 125 (1975).
https:///doi.org/10.1109/TIT.1975.1055351

[24] Карл В. Хельстром, Теорія квантового виявлення та оцінки (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin і T. Mor, Квантова криптографія з когерентними станами, Phys. Rev. A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Конрад Банашек, Оптимальний приймач для квантової криптографії з двома когерентними станами, Phys. Lett. A 253, 12 (1999).
https://doi.org/10.1016/S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Однозначне розрізнення когерентних станів за допомогою лінійної оптики: застосування до квантової криптографії, Phys. Rev. A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Мілослав Душек, Міка Яхма та Норберт Люткенхаус, Однозначне розрізнення станів у квантовій криптографії зі слабкими когерентними станами, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306

[29] Патрік Дж. Кларк, Роберт Дж. Коллінз, Ведран Дунько, Еріка Андерссон, Джон Джефферс і Джеральд С. Буллер, Експериментальна демонстрація квантових цифрових підписів з використанням фазово-кодованих когерентних станів світла, Nat. Комун. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan і A. Migdall, Реалізація узагальнених квантових вимірювань для однозначного розрізнення множинних неортогональних когерентних станів, Nat. Комун. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen та Ulrik L. Andersen, Томографія вимірювання зворотного зв’язку з детектуванням фотонів, Phys. Преподобний Летт. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen та Ulrik L. Andersen, Адаптивне узагальнене вимірювання для однозначного розрізнення станів четвертинних когерентних станів зі зсувом фази, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario та FE Becerra, Демонстрація оптимального непроективного вимірювання бінарних когерентних станів із підрахунком фотонів, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41534-022-00595-3

[34] М. Такеока, Г. Крові та С. Гуха, Досягнення холево-ємності класично-квантового каналу в чистому стані через однозначне розрізнення станів, у 2013 році Міжнародний симпозіум IEEE з теорії інформації (2013) стор. 166–170.

[35] AS Holevo, Ємність квантового каналу із загальними станами сигналу, IEEE Trans. Інф. Теорія 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Сайкат Гуха, Структуровані оптичні приймачі для досягнення суперадитивної ємності та межі holevo, Phys. Преподобний Летт. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton і JH Shapiro, Про квантову межу оптичних комунікацій: конкатеновані коди та приймачі спільного виявлення, у 2011 році Міжнародний симпозіум IEEE з теорії інформації (2011) стор. 274–278.

[38] Маттео Розаті, Андреа Марі та Вітторіо Джованетті, Багатофазні адамардові приймачі для класичного зв’язку на бозонних каналах із втратами, Phys. Rev. A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Крістоффер Віттманн, Ульрік Л. Андерсен, Масахіро Такеока, Денис Сич і Герд Леухс, Демонстрація розрізнення когерентного стану за допомогою детектора з роздільною здатністю фотонів із контрольованим зміщенням, Phys. Преподобний Летт. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Крістоффер Віттманн, Ульрік Л. Андерсен, Масахіро Такеока, Денис Сич і Герд Леухс, Дискримінація бінарних когерентних станів за допомогою гомодинного детектора та детектора з роздільним числом фотонів, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden і N. Gisin, Однозначне квантове вимірювання неортогональних станів, Phys. Rev. A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Роджер Б.М. Кларк, Ентоні Чефлз, Стівен М. Барнетт і Ерлінг Ріс, Експериментальна демонстрація оптимального однозначного розрізнення стану, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Алессандро Ферраро, Стефано Оліварес і Маттео Г. А. Паріс, Гауссові стани в безперервній змінній квантовій інформації (Бібліополіс (Неаполь), 2005) arXiv:quant-ph/0503237.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.quant-ph/0503237
arXiv: quant-ph / 0503237

[44] P. Aniello, C. Lupo та M. Napolitano, Дослідження теорії представлення унітарних груп за допомогою лінійних оптичних пасивних пристроїв, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https://doi.org/10.1007/s11080-006-9023-1

[45] Скотт Ааронсон і Алекс Архіпов, Обчислювальна складність лінійної оптики, у матеріалах сорок третього щорічного симпозіуму ACM з теорії обчислень (ACM, 2011), стор. 333–342.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Майкл Рек, Антон Цайлінгер, Герберт Дж. Бернштейн і Філіп Бертані, Експериментальна реалізація будь-якого дискретного унітарного оператора, Phys. Преподобний Летт. 73, 58 (1994).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.73.58

[47] Вільям Р. Клементс, Пітер С. Хамфріс, Бенджамін Дж. Меткалф, В. Стівен Колтхаммер та Ян А. Уолмслі, Оптимальна конструкція універсальних багатопортових інтерферометрів, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] Б. А. Белл і І. А. Уолмслі, Подальша компактифікація лінійних оптичних унітарів, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Джасміндер С. Сідху, Шуро Ізумі, Йонас С. Ніргаард-Нільсен, Космо Лупо та Ульрік Л. Андерсен, Квантовий приймач для фазової маніпуляції на рівні одного фотона, PRX Quantum 2, 010332 (2021b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.010332

[50] Сайкат Гуха, Патрік Хайден, Харі Крові, Сет Ллойд, Космо Лупо, Джеффрі Х. Шапіро, Масахіро Такеока та Марк М. Уайлд, Квантові загадкові машини та здатність блокування квантового каналу, Phys. Ред. X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] М. Скотініотіс, Р. Хотц, Дж. Кальсамілья та Р. Муньос-Тапіа, Ідентифікація несправних квантових пристроїв, 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] Бобак Назер і Майкл Гастпар, Справа про структуровані випадкові коди в теоремах про пропускну здатність мережі, European Transactions on Telecommunications 19, 455 (2008).
https:///doi.org/10.1002/ett.1284

[53] Сайкат Гуха, Структуровані оптичні приймачі для досягнення суперадитивної ємності та межі holevo, Phys. Преподобний Летт. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Томас М. Ковер і Джой А. Томас, Елементи теорії інформації, 2-е видання, том. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Юрій Полянський, Х. Вінсент Пур і Серджіо Верду, Швидкість кодування каналу в режимі кінцевої довжини блоку, IEEE Transactions on Information Theory 56, 2307 (2010).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair і Saikat Guha, Finite codelength analysis of the sequential waveform nulling receiver for m-ary psk, in 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT) (2015) pp. 1665–1670.
https:///doi.org/10.1109/ISIT.2015.7282739

[57] Манкей Цанг, Квантова інформація Пуассона, Квант 5, 527 (2021).
https://doi.org/10.22331/q-2021-08-19-527

[58] Крішна Кумар Сабапаті та Андреас Вінтер, Босонне приховування даних: сила лінійної та нелінійної 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] Людовіко Ламі, Квантове приховування даних за допомогою систем безперервних змінних, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Цитується

[1] Алессіо Беленчіа, Маттео Карлессо, Омер Байрактар, Даніеле Декуаль, Іван Деркач, Джуліо Гасбаррі, Вальдемар Герр, Їн Ліа Лі, Маркус Радемахер, Джасміндер Сідху, Даніель К. Л. Ой, Стефан Т. Зайдель, Райнер Кальтенбек, Крістоф Марквардт, Хендрік Ulbricht, Vladyslav C. Usenko, Lisa Wörner, André Xuereb, Mauro Paternostro та Angelo Bassi, «Квантова фізика в космосі», Physics Reports 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa, and Daniel KL Oi, “Finite key effects in satelit quantum key distribution”, npj Квантова інформація 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario та FE Becerra, «Демонстрація оптимального непроективного вимірювання бінарних когерентних станів з підрахунком фотонів», npj Квантова інформація 8, 84 (2022).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-06-01 02:15:37). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2023-06-01 02:15:35).

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
джерело: https://quantum-journal.org/papers/q-2023-05-31-1025/

Часова мітка: Травень 31, 2023

Часова мітка: Жовтень 11, 2022

Лінійна оптика та фотодетектор досягають майже оптимального однозначного когерентного розрізнення стану

Перевидано Платоном

абстрактний

Популярне резюме

► Дані BibTeX

► Список літератури

Цитується

Більше від Квантовий журнал

Діагностика безплідних плато за допомогою інструментів Quantum Optimal Control

Кількісне визначення ферміонних взаємодій через порушення теореми Віка

Тестування ідентичності колекцій квантових станів: аналіз складності вибірки

Квантові токени для цифрових підписів

Нерівності Платона Белла для всіх вимірів

До загальної структури рандомізованого порівняльного аналізу, що включає немарківський шум

Автоматизована генерація човнових послідовностей для квантового комп’ютера з лінійною сегментованою іонною пасткою

Швидке моделювання стабілізатора з квадратичними розширеннями форм

Безперервно-змінна заплутаність через центральні сили: застосування до гравітації між квантовими масами

Удосконалення Positivstellensatz Резніка із застосуваннями до квантової теорії інформації

Роль когерентності матерії в заплутаності через силу тяжіння

Про нас

Вертикальний пошук & Ai

платформа

Залишайтеся на зв'язку

рахунки