[論文レビュー] Quantum illumination with asymmetrically squeezed two-mode light

Yonggi Jo, Taek Jeong+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、初期の二モードスリッピング真空（TMSV）状態の各モードに独立した単モードスリッピングを適用することで生成される非対称二モードスリッピング光（ASTM）を用いたガウス量子イリュミネーションプロトコルを提案する。この手法は、高輝度TMSV状態を必要とせず、信号モードのエネルギーを向上させることで、現実的な受信機においても目標検出性能を向上させ、実用的制約下でも古典的イリュミネーションを上回る量子優位性を達成する。

ABSTRACT

We propose Gaussian quantum illumination(QI) protocol exploiting asymmetrically squeezed two-mode(ASTM) state that is generated by applying single-mode squeezing operations on each mode of an initial two-mode squeezed vacuum(TMSV) state, in order to overcome the limited brightness of a TMSV state. We show that the performance of the optimal receiver is enhanced by local squeezing operation on a signal mode whereas the performance of a realistic receiver can be enhanced by local squeezing operations on both input modes. Under a fixed mean photon number of the signal mode, the ASTM state can be close to the TMSV state in the performance of QI while there is a threshold of beating classical illumination in the mean photon number of the initial TMSV state. We also verify that quantum discord cannot be a resource of quantum advantage in the Gaussian QI using the ASTM state, which is a counterexample of a previous claim.

研究の動機と目的

• 現在の技術的限界において、高輝度二モードスリッピング真空（TMSV）状態を生成することが困難であるという課題に対処すること。
• TMSV状態の輝度が低いという制限を、信号モードとイジェルモードに局所的スリッピング操作を適用することで克服し、信号エネルギーを増加させつつも量子相関を維持すること。
• 局所的スリッピングを信号モードとイジェルモードの両方に適用することで、最適受信機が信号モードのスリッピングにのみ利益を受ける場合でも、現実的な受信機における性能向上を示すこと。
• ガウス量子イリュミネーションにおける量子優位性の主たる資源が量子分散であるという主張に反する反例を提示すること。

提案手法

• 初期のTMSV状態の各モードに独立した単モードスリッピング操作を適用することでASTM状態を生成し、信号モードおよびイジェルモードの平均光子数を増加させる。
• 最適受信機の性能を評価するために、測定の前にユニタリ操作が可能であると仮定した量子チェルノフ限界（QCB）を用いる。
• 現実的な制約下での実用的性能を評価するために、シフトされたホモダイニング二モード（dHTD）検出方式に基づく現実的受信機を実装する。
• ASTMを用いたQI、高輝度TMSV状態を用いた従来のQI、およびコherent状態を用いたコヒーレント状態による古典的イリュミネーション（CI）の間で、目標検出の誤り率を比較する。
• 量子分散を分析して、量子分散が量子優位性の実現に寄与する役割を評価し、潜在的なリソース指標としての量子分散を用いる。
• 局所的スリッピングパラメータ（N₁, N₂）および相対的スリッピング角度（φ₁ − φ₂）を系統的に変化させ、検出性能に最適な設定を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適受信機が信号モードのスリッピングにのみ利益を受ける場合でも、信号モードとイジェルモードの両方に局所的スリッピング操作を適用することで、現実的な受信機における量子イリュミネーションの性能が向上するか？
• RQ2 初期TMSV状態の平均光子数が低い閾値以下では、ASTMベースのQIが古典的イリュミネーションを上回れないという限界があるか？
• RQ3 従来の主張とは異なり、量子分散がガウス量子イリュミネーションにおける量子優位性の十分なリソースであるとされるか？
• RQ4 局所的スリッピング操作の相対位相がdHTD受信機の検出性能に与える影響は何か？
• RQ5 高輝度TMSV状態に匹敵しないが、固定された信号モード平均光子数のもとで、ASTM状態が古典的イリュミネーションを上回る量子優位性を達成できるか？

主な発見

• 量子チェルノフ限界解析では、信号モードへの局所的スリッピングが最適受信機の性能を向上させるが、イジェルモードへの局所的スリッピングは効果がない。
• 現実的なdHTD受信機では、信号モードおよびイジェルモードへの局所的スリッピングの両方が検出性能を向上させ、特に両スリッピングパラメータが等しい（N₁ = N₂）ときに最良の性能が達成される。
• 初期TMSV状態の平均光子数が低い場合（例：N₀ = 1）でも、スリッピングパラメータが十分に高い限り、ASTM状態は同じ信号エネルギーのもとで古典的イリュミネーションを上回る量子優位性を達成できる。
• 初期TMSV状態の平均光子数に下限がある場合、ASTMベースのQIは古典的イリュミネーションを上回れないことが示され、このプロトコルの実用的限界が明確に特定される。
• 量子分散がガウスQIにおける量子優位性の主たるリソースであるという主張に対して、本研究の設定では量子分散と性能向上の相関が認められないことから、反例を提供する。
• ROC曲線は、同じ信号エネルギーのもとでASTMベースのQIが古典的イリュミネーションを上回ることを示しており、特にφ₁ = φ₂のときに最良の性能が得られることから、局所的スリッピング操作における位相整合の重要性が確認される。