[論文レビュー] Error free Quantum Reading by Quasi Bell State of Entangled Coherent States

Osamu Hirota|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、もつれ coherent 状態の準ベル状態を用いた誤りのない量子リーディングを提案し、位相シフト反射によって2値メモリ状態（0 と 1）を完全に区別する。非古典的で最大にもつれた状態を用い、反射後に内積がゼロとなることで、標準量子限界を超えて、光強度にかかわらず誤り確率がゼロとなる。最適な量子測定により実現される。

ABSTRACT

Non-classical states of light field have been exploited to provide marvellous results in quantum information science. Effectiveness of nonclassical states depends on whether physical parameter as signal is continuous or digital. Here we present an investigation on the potential of quasi Bell state of entangled coherent states in quantum reading of the classical digital memory which was pioneered by Pirandola. This is a typical example of discrete quantum discrimination. We show that the quasi Bell state gives the error free performance in the quantum reading that cannot be obtained by any classical state.

研究の動機と目的

• もつれ coherent 状態の準ベル状態が古典的デジタルメモリにおける量子リーディングの可能性を調査すること。
• 非古典的光を用いて、メモリ状態の2値区別における標準量子限界を克服すること。
• 特定のもつれ状態と最適測定により、誤りのない性能が達成可能であることを示すこと。
• もつれが非正交状態におけるデジタル量子区別の役割を明確にすること。

提案手法

• 研究では、振幅シフト鍵制御（ASK）または位相シフト鍵制御（PSK）を用い、メモリ信号として coherent 状態をモデル化する。
• 準ベル状態 |Ψ₂⟩ = h₂(|α⟩_A|α⟩_B − |−α⟩_A|−α⟩_B) を採用し、h₂ = 1/√[2(1−κ²)] および κ = ⟨α|−α⟩ である。
• 系はモード B における反射を介して位相シフト π（U_B(π)）を適用し、|Ψ₂(0)⟩ を |Ψ₂(1)⟩ = |Ψ₄⟩ に変換する。
• 内積 ⟨Ψ₂(0)|Ψ₂(1)⟩ が解析的にゼロであることが示され、|α| にかかわらず出力状態が正交的であることが保証される。
• 2モード系に量子最適受信機を適用し、ヘルストロン限界に到達する。
• coherent 状態（P_e(C) > 0）ともつれ coherent 状態（P_e(ECS) = 0）の誤り確率を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれ coherent 状態の準ベル状態は、デジタルメモリの量子リーディングにおいて誤りのない区別を可能にするか？
• RQ2 非正交 coherent 状態におけるもつれの役割は、標準量子限界を超える区別を向上させるか？
• RQ3 反射後に出力状態間の内積がゼロのまま保たれるか、完全な正交性が保証されるか？
• RQ4 同じ条件下で、もつれ状態の誤り確率は coherent 状態のそれと比べてどのように異なるか？
• RQ5 誤りのない性能は光源のエネルギーに依存しないか？

主な発見

• 反射後の状態 |Ψ₂(0)⟩ と |Ψ₂(1)⟩ 間の内積は、|α| にかかわらず正確にゼロ、すなわち ⟨Ψ₂(0)|Ψ₂(1)⟩ = 0 である。
• もつれ coherent 状態（ECS）系における誤り確率は正確にゼロ、P_e(ECS) = 0 であり、反射後の完全な正交性のおかげである。
• それに対して、coherent 状態プローブの誤り確率は非ゼロであり、ヘルストロン限界によって上限が定まる：P_e(C) = ½[1 − √(1 − 4ξ₀ξ₁exp(−4|α|²))]。
• 誤りのない性能は、主に準ベル状態の非古典的もつれと最適な量子測定の組み合わせによって達成される。
• その結果は光源のエネルギーに依存せず、さまざまな出力レベルにおいても安定である。
• この現象は、特定の準ベル状態のもつれ構造に起因し、位相シフト反射によって非正交入力状態が正交出力状態に変換される。