[論文レビュー] Improved detection of lossy channels by two-mode correlated probes

Carmen Invernizzi, Matteo G. A. Paris|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2010

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、損失のあるボソン的チャネルを検出するための最適な量子状態を調査し、エネルギーと歪みが固定されている場合、二モードスリッピング真空状態が単一モード状態を上回ることを示している。主な結果として、量子もつれ、相互情報量、および分散を介した量子相関が一貫して検出性能を向上させることを示しており、現実的な条件下では二モードスリッピング熱状態が普遍的に優れている。

ABSTRACT

We consider the discrimination of lossy bosonic channels and focus to the case when one of the values for the loss parameter is zero, i.e., we address the detection of a possible loss against the alternative hypothesis of an ideal lossless channel. This discrimination is performed by inputting one-mode or two-mode squeezed thermal states with fixed total energy. By optimizing over this class of states, we find that the optimal inputs are pure, thus corresponding to single- and two-mode squeezed vacuum states. In particular, we show that for any value of the damping rate smaller than a critical value there is a threshold on the energy that makes the two-mode squeezed vacuum state more convenient than the corresponding single-mode state, whereas for damping larger than this critical value two-mode squeezed vacua are always better. We then consider the discrimination in realistic conditions, where it is unlikely to have pure squeezing. Thus by fixing both input energy and squeezing, we show that two-mode squeezed thermal states are always better than their single- mode counterpart when all the thermal photons are directed into the dissipative channel. Besides, this result also holds approximately for unbalanced distribution of the thermal photons. Finally, we also investigate the role of correlations in the improvement of detection. For fixed input squeezing (single-mode or two-mode), we find that the reduction of the quantum Chernoff bound is a monotone function of the two-mode entanglement as well as the quantum mutual information and the quantum discord. We thus verify that employing squeezing in the form of correlations (quantum or classical) is always a resource for loss detection whenever squeezed thermal states are taken as input.

研究の動機と目的

• 損失のあるボソン的チャネルの検出を改善すること、特にゼロ損失（理想）と非ゼロ損失を区別すること。
• エネルギーと歪みが固定されている条件下で、二モード相関プローブが単一モードプローブを上回る利点があるかどうかを特定すること。
• スリッピング熱状態を用いた検出性能の向上に寄与する量子相関と古典的相関の役割を評価すること。
• 非ゼロの熱雑音や非対称な光子分布といった現実的な不完全要因の影響を評価すること。

提案手法

• 全エネルギーが固定されている一モードおよび二モードスリッピング熱状態の最適化により、損失検出に最適な入力状態を同定する。
• 損失なしと損失ありのチャネル間の識別性能を評価指標として、量子チェルノフ限界を分析する。
• もつれ、量子相互情報量、および量子分散を用いて量子相関を評価し、検出性能の向上に果たす役割を定量化する。
• 異なる減衰率とエネルギー閾値の下で、二モードスリッピング真空状態と単一モードスリッピング真空状態を比較する。
• 入力エネルギーと歪みを固定し、非対称な熱光子分布を含めた現実的な条件での性能を評価する。
• 解析的および数値的手法を用いて、さまざまなパrameter領域における量子チェルノフ限界と相関測度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーと歪みが固定されている場合、二モードスリッピング状態を用いることで、単一モード状態に比べ損失のあるチャネルの検出性能が向上するか？
• RQ2 二モードスリッピング状態が常に単一モード状態を上回るようになる臨界減衰率は何か？
• RQ3 もつれ、相互情報量、および分散といった量子相関は、損失検出の向上にどのように寄与するか？
• RQ4 熱光子がモード間で均等に分配されていない場合でも、二モードプローブの性能優位性は維持されるか？
• RQ5 古典的相関と量子もつれが、ボソン的チャネルにおける損失検出にどのように共同で寄与するか？

主な発見

• 全エネルギーが減衰率に依存する閾値を超える場合、二モードスリッピング真空状態が損失検出に最適である。
• 臨界値未満の減衰率では、エネルギーが十分に高い場合にのみ二モードプローブが単一モードプローブを上回るが、それ以外の場合は単一モードプローブが優れる。
• 臨界値を超える減衰率では、エネルギーにかかわらず、二モードスリッピング真空状態が常に単一モード状態を上回る。
• エネルギーと歪みが固定されている場合、すべての熱光子が損失のあるチャネルに集中する状況では、二モードスリッピング熱状態が一貫して単一モード状態を上回る。
• 量子チェルノフ限界の低下は、二モードもつれ、量子相互情報量、および量子分散の関数として単調に減少するため、すべての相関形態が検出性能の向上に寄与することが示唆される。
• スリッピング熱状態を入力として用いる場合、量子的または古典的相関の形で歪みを用いることは、損失検出において常に有益である。