Quang học tuyến tính và tách sóng quang đạt được sự phân biệt trạng thái kết hợp rõ ràng gần như tối ưu

Quang học tuyến tính và tách sóng quang đạt được sự phân biệt trạng thái kết hợp rõ ràng gần như tối ưu

Nút nguồn: 2691519

Jasminder S. Sidhu1, Michael S. Bullock2, Saikat guha2,3vũ trụ lupo4,5

1SUPA Khoa Vật lý, Đại học Strathclyde, Glasgow, G4 0NG, Vương quốc Anh
2Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học Arizona, Tucson, Arizona 85721, Hoa Kỳ
3Đại học Khoa học Quang học, Đại học Arizona, Tucson, Arizona 85721, Hoa Kỳ
4Dipartimento Interateneo di Fisica, Politecnico & Università di Bari, 70126 Bari, Ý
5INFN, Sezione di Bari, 70126 Bari, Ý

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Các trạng thái kết hợp của trường điện từ lượng tử, mô tả lượng tử của ánh sáng laser lý tưởng, là những ứng cử viên chính làm chất mang thông tin cho truyền thông quang học. Một lượng lớn tài liệu tồn tại dựa trên ước tính và phân biệt giới hạn lượng tử của chúng. Tuy nhiên, rất ít thông tin về việc thực hiện thực tế của máy thu đối với sự phân biệt trạng thái rõ ràng (USD) của các trạng thái kết hợp. Ở đây, chúng tôi lấp đầy khoảng trống này và phác thảo một lý thuyết về USD với các máy thu được phép sử dụng: quang học tuyến tính đa chế độ thụ động, chuyển vị không gian pha, chế độ chân không phụ trợ và phát hiện photon bật tắt. Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng, trong một số chế độ, các thành phần quang học hiện có này thường đủ để đạt được sự phân biệt rõ ràng gần như tối ưu của nhiều trạng thái kết hợp đa chế độ.

Máy thu tăng cường lượng tử đang đi đầu trong các công nghệ lượng tử mới. Đối với các ứng dụng trong truyền thông quang học, chúng cung cấp khả năng phân biệt được cải thiện cho nhiều trạng thái lượng tử không trực giao. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bảng chữ cái trạng thái kết hợp yếu do vai trò then chốt của chúng là chất mang thông tin trong cảm biến lượng tử, truyền thông và điện toán. Một máy thu lượng tử được thiết kế tốt kết hợp tính thực tế với hiệu suất cao, trong đó cái sau được định lượng thông qua một hệ số công đức phụ thuộc vào nhiệm vụ phù hợp. Trong khuôn khổ phân biệt trạng thái rõ ràng (USD), máy thu lượng tử được thiết kế để xác định một trạng thái chưa biết mà không có lỗi và hiệu suất được đánh giá theo xác suất trung bình tối thiểu để đạt được một sự kiện không thể kết luận.

Có rất nhiều tài liệu dành cho việc thiết lập giới hạn toàn cầu cho USD cho các họ trạng thái lượng tử khác nhau, bao gồm lập trình bán xác định và thậm chí giải pháp phân tích chính xác khi tính đối xứng ở các trạng thái cho phép. Các phương pháp này cung cấp các mô tả toán học chính thức cho các phép đo USD tối ưu toàn cầu nhưng không cung cấp được cấu trúc máy thu rõ ràng hoặc khả thi. Đáng ngạc nhiên là có rất ít thông tin về bộ thu USD thực tế cho các trạng thái nhất quán ngoài các chòm sao khóa dịch chuyển pha và liệu chúng có thể đạt được giới hạn toàn cầu hay không.

Để thu hẹp khoảng cách này, chúng tôi thiết lập một lý thuyết mới cho USD hoạt động theo các kế hoạch đo lường thực tế. Cụ thể, máy thu của chúng tôi chỉ tận dụng các tài nguyên hạn chế, chẳng hạn như quang học thụ động tuyến tính đa chế độ, hoạt động dịch chuyển pha trong không gian, chế độ chân không phụ trợ và phát hiện photon bật tắt theo chế độ. Chúng tôi phát triển nhiều loại máy thu, mỗi loại phù hợp với các thuộc tính cụ thể của chòm sao trạng thái kết hợp. Chúng tôi áp dụng lý thuyết của mình cho một số điều chế trạng thái nhất quán và so sánh hiệu suất với các giới hạn toàn cầu hiện có đối với USD. Chúng tôi chứng minh rằng trong một số chế độ, tập hợp các hoạt động vật lý thực tế nhưng bị hạn chế này thường đủ để mang lại hiệu suất gần như tối ưu. Công việc này thiết lập một khung lý thuyết để hiểu và làm chủ thiết kế của máy thu để cho phép USD gần như tối ưu của các trạng thái kết hợp.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] Charles H. Bennett, Gilles Brassard và N. David Mermin, Mật mã lượng tử không có định lý chuông, Phys. Linh mục Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[2] Jasminder S. Sidhu và Pieter Kok, Quan điểm hình học về ước lượng tham số lượng tử, AVS Quantum Science 2, 014701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1116 / 1.5119961

[3] Jasminder S. Sidhu và Pieter Kok, Thông tin đánh cá lượng tử cho các biến dạng không gian chung của các nguồn phát lượng tử, 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., Những tiến bộ trong mật mã lượng tử, Adv. Opt. phôtôn. 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., Những tiến bộ trong truyền thông lượng tử không gian, Truyền thông lượng tử IET, 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, và cộng sự, Đọc nhanh các chấm lượng tử silicon dựa trên cổng bằng cách sử dụng khuếch đại tham số josephson, Phys. Mục sư Lett. 124, 067701 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.067701

[7] Joonwoo Bae và Leong-Chuan Kwek, Phân biệt trạng thái lượng tử và các ứng dụng của nó, J. Phys. Đáp: Toán. lý thuyết. 48, 083001 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​48/​8/​083001

[8] IA Burenkov, MV Jabir và SV Polyakov, Máy thu tăng cường lượng tử thực tế dành cho truyền thông cổ điển, 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, và Sergey V. Polyakov, Ước lượng từng bước thực nghiệm về độ tin cậy của phép đo lượng tử, Phys. Mục sư Lett. 128, 040404 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.040404

[10] Hemani Kaushal và Georges Kaddoum, Truyền thông quang trong không gian: Thách thức và kỹ thuật giảm thiểu, Khảo sát & Hướng dẫn về Truyền thông của IEEE 19, 57 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / COMST.2016.2603518

[11] ECG Sudarshan, Sự tương đương của các mô tả cơ học lượng tử và bán cổ điển của các chùm ánh sáng thống kê, Phys. Mục sư Lett. 10, 277 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.10.277

[12] Roy J. Glauber, Trạng thái kết hợp và không kết hợp của trường bức xạ, Phys. Rev. 131, 2766 (1963).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRev131.2766

[13] ID Ivanovic, Làm thế nào để phân biệt giữa các trạng thái không trực giao, Phys. Hãy để. A 123, 257 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(87)90222-2

[14] D. Dieks, Chồng chéo và khả năng phân biệt của các trạng thái lượng tử, Phys. Hãy để. A 126, 303 (1988).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0375-9601(88)90840-7

[15] Asher Peres và Daniel R Terno, Sự phân biệt tối ưu giữa các trạng thái lượng tử không trực giao, J. Phys. Đáp: Toán. Tướng 31, 7105 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​31/​34/​013

[16] YC Eldar, Một cách tiếp cận lập trình bán xác định để phân biệt rõ ràng tối ưu các trạng thái lượng tử, IEEE Transactions on Information Theory 49, 446 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2002.807291

[17] Anthony Chefles, Sự phân biệt rõ ràng giữa các trạng thái lượng tử độc lập tuyến tính, Physics Letters A 239, 339 (1998).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(98)00064-4

[18] Gael Sentís, John Calsamiglia, và Ramon Muñoz Tapia, Xác định chính xác điểm thay đổi lượng tử, Phys. Mục sư Lett. 119, 140506 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.140506

[19] Kenji Nakahira, Kentaro Kato và Tsuyoshi Sasaki Usuda, Sự phân biệt rõ ràng cục bộ của các trạng thái ternary đối xứng, Phys. Linh mục A 99, 022316 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.022316

[20] Gael Sentís, Esteban Martínez-Vargas, và Ramon Muñoz-Tapia, Nhận dạng trực tuyến các trạng thái thuần túy đối xứng, Lượng tử 6, 658 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-02-21-658

[21] Yuqing Sun, Mark Hillery, và János A. Bergou, Sự phân biệt rõ ràng tối ưu giữa các trạng thái lượng tử không trực giao độc lập tuyến tính và hiện thực quang học của nó, Phys. Linh mục A 64, 022311 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.64.022311

[22] János A. Bergou, Ulrike Futchik và Edgar Feldman, Sự phân biệt rõ ràng tối ưu của các trạng thái lượng tử thuần túy, Phys. Mục sư Lett. 108, 250502 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.250502

[23] H. Yuen, R. Kennedy và M. Lax, Thử nghiệm tối ưu cho nhiều giả thuyết trong lý thuyết phát hiện lượng tử, IEEE Trans. thông tin liên lạc Thuyết 21, 125 (1975).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.1975.1055351

[24] Carl W. Helstrom, Lý thuyết ước tính và phát hiện lượng tử (Academic Press Inc., 1976).

[25] B. Huttner, N. Imoto, N. Gisin và T. Mor, Mật mã lượng tử với các trạng thái kết hợp, Phys. Linh mục A 51, 1863 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.51.1863

[26] Konrad Banaszek, Máy thu tối ưu cho mật mã lượng tử với hai trạng thái kết hợp, Phys. Hãy để. A 253, 12 (1999).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0375-9601(99)00015-8

[27] SJ van Enk, Sự phân biệt trạng thái rõ ràng của các trạng thái kết hợp với quang học tuyến tính: Ứng dụng cho mật mã lượng tử, Phys. Linh mục A 66, 042313 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.66.042313

[28] Miloslav Dušek, Mika Jahma, và Norbert Lütkenhaus, Sự phân biệt trạng thái rõ ràng trong mật mã lượng tử với các trạng thái kết hợp yếu, Phys. Lm 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 và Gerald S. Buller, Trình diễn thực nghiệm chữ ký số lượng tử sử dụng trạng thái ánh sáng kết hợp được mã hóa theo pha, Nat. cộng đồng. 3, 1174 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms2172

[30] FE Becerra, J. Fan và A. Migdall, Thực hiện các phép đo lượng tử tổng quát để phân biệt rõ ràng nhiều trạng thái kết hợp không trực giao, Nat. cộng đồng. 4, 2028 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3028

[31] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, và Ulrik L. Andersen, Chụp cắt lớp phép đo phản hồi với phát hiện photon, Phys. Mục sư Lett. 124, 070502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.070502

[32] Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen và Ulrik L. Andersen, Phép đo tổng quát thích ứng để phân biệt trạng thái rõ ràng của các trạng thái kết hợp khóa dịch pha bậc bốn, PRX Quantum 2, 020305 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020305

[33] MT DiMario và FE Becerra, Trình diễn phép đo phi phóng ảnh tối ưu của các trạng thái kết hợp nhị phân bằng cách đếm photon, npj Quantum Inf 8, 84 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-022-00595-3

[34] M Takeoka, H Krovi và S Guha, Đạt được khả năng holevo của kênh lượng tử cổ điển trạng thái thuần túy thông qua phân biệt trạng thái rõ ràng, trong Hội nghị chuyên đề quốc tế về lý thuyết thông tin của IEEE năm 2013 (2013) trang 166–170.

[35] AS Holevo, Dung lượng của kênh lượng tử với các trạng thái tín hiệu chung, IEEE Trans. thông tin liên lạc Thuyết 44, 269 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037

[36] Saikat Guha, Máy thu quang có cấu trúc để đạt được công suất siêu cộng và giới hạn holevo, Phys. Mục sư Lett. 106, 240502 (2011a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[37] S Guha, Z Dutton và JH Shapiro, Về giới hạn lượng tử của thông tin liên lạc quang học: Các mã được nối và máy thu phát hiện chung, trong Hội nghị chuyên đề quốc tế về Kỷ yếu lý thuyết thông tin của IEEE năm 2011 (2011) trang 274–278.

[38] Matteo Rosati, Andrea Mari, và Vittorio Giovannetti, Máy thu có nhiều pha để liên lạc cổ điển trên các kênh bosonic suy hao, Phys. Linh mục A 94, 062325 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.062325

[39] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych, và Gerd Leuchs, Trình diễn sự phân biệt trạng thái kết hợp bằng cách sử dụng máy dò phân giải số photon được điều khiển bởi sự dịch chuyển, Phys. Mục sư Lett. 104, 100505 (2010a).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.100505

[40] Christoffer Wittmann, Ulrik L. Andersen, Masahiro Takeoka, Denis Sych, và Gerd Leuchs, Phân biệt các trạng thái kết hợp nhị phân bằng cách sử dụng máy dò homodyne và máy dò phân giải số photon, Phys. Rev. A 81, 062338 (2010b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.062338

[41] B. Huttner, A. Muller, JD Gautier, H. Zbinden và N. Gisin, Phép đo lượng tử rõ ràng của các trạng thái không trực giao, Phys. Mục A 54, 3783 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.3783

[42] Roger BM Clarke, Anthony Chefles, Stephen M. Barnett, và Erling Riis, Chứng minh thực nghiệm về sự phân biệt trạng thái rõ ràng tối ưu, Phys. Rev. A 63, 040305 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.63.040305

[43] Alessandro Ferraro, Stefano Olivares, và Matteo GA Paris, trạng thái Gaussian trong thông tin lượng tử biến đổi liên tục (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, và M. Napolitano, Khám phá lý thuyết biểu diễn của các nhóm đơn vị thông qua các thiết bị thụ động quang học tuyến tính, Open Systems & Information Dynamics 13, 415 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11080-006-9023-1

[45] Scott Aaronson và Alex Arkhipov, Độ phức tạp tính toán của quang học tuyến tính, trong Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ 2011 về Lý thuyết điện toán (ACM, 333) trang 342–XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 1993636.1993682

[46] Michael Reck, Anton Zeilinger, Herbert J. Bernstein và Philip Bertani, Thực nghiệm hóa toán tử đơn nguyên rời rạc bất kỳ, Phys. Mục sư 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 và Ian A. Walmsley, Thiết kế tối ưu cho giao thoa kế đa cổng, Optica 3, 1460 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.3.001460

[48] BA Bell và IA Walmsley, Các đơn vị quang học tuyến tính nhỏ gọn hơn nữa, APL Photonics 6, 070804 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0053421

[49] Jasminder S. Sidhu, Shuro Izumi, Jonas S. Neergaard-Nielsen, Cosmo Lupo, và Ulrik L. Andersen, Máy thu lượng tử để tạo khóa dịch pha ở cấp độ một photon, 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, và Mark M. Wilde, Máy bí ẩn lượng tử và khả năng khóa của kênh lượng tử, Phys. Lm X 4, 011016 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.4.011016

[51] M. Skotiniotis, R. Hotz, J. Calsamiglia và R. Muñoz-Tapia, Xác định các thiết bị lượng tử bị trục trặc, 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 và Michael Gastpar, Trường hợp mã ngẫu nhiên có cấu trúc trong định lý dung lượng mạng, Giao dịch châu Âu về Viễn thông 19, 455 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1002/​ett.1284

[53] Saikat Guha, Máy thu quang có cấu trúc để đạt được công suất siêu cộng và giới hạn holevo, Phys. Mục sư Lett. 106, 240502 (2011b).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.240502

[54] Thomas M. Cover và Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, tái bản lần 2, Vol. 11 (Wiley-Interscience, 2006).

[55] Yury Polyanskiy, H. Vincent Poor và Sergio Verdu, Tốc độ mã hóa kênh trong chế độ độ dài khối hữu hạn, Giao dịch của IEEE về Lý thuyết thông tin 56, 2307 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2010.2043769

[56] Si-Hui Tan, Zachary Dutton, Ranjith Nair và Saikat Guha, Phân tích độ dài mã hữu hạn của bộ thu triệt tiêu dạng sóng tuần tự cho m-ary psk, trong Hội nghị chuyên đề quốc tế về lý thuyết thông tin (ISIT) (2015) của IEEE năm 2015 trang 1665–1670.
https: / / doi.org/ 10.1109 / ISIT.2015.7282739

[57] Mankei Tsang, Thông tin lượng tử Poisson, Lượng tử 5, 527 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-08-19-527

[58] Krishna Kumar Sabapathy và Andreas Winter, Ẩn dữ liệu Bosonic: sức mạnh của quang học tuyến tính và phi tuyến tính, 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, Ẩn dữ liệu lượng tử với các hệ thống biến liên tục, Phys. Rev. A 104, 052428 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.104.052428

Trích dẫn

[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 và Angelo Bassi, “Vật lý lượng tử trong không gian”, Báo cáo Vật lý 951, 1 (2022).

[2] Jasminder S. Sidhu, Thomas Brougham, Duncan McArthur, Roberto G. Pousa và Daniel KL Oi, “Hiệu ứng chính hữu hạn trong phân phối khóa lượng tử vệ tinh”, npj Thông tin lượng tử 8, 18 (2022).

[3] MT DiMario và FE Becerra, “Trình diễn phép đo phi xạ ảnh tối ưu của các trạng thái kết hợp nhị phân bằng cách đếm photon”, npj Thông tin lượng tử 8, 84 (2022).

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2023 / 06-01 02:15:37). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

On Dịch vụ trích dẫn của Crossref không có dữ liệu về các công việc trích dẫn được tìm thấy (lần thử cuối cùng 2023 / 06-01 02:15:35).

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử