[論文レビュー] Quantum-message-passing receiver for quantum-enhanced classical communications

Narayanan Rengaswamy, Henry D. Pfister+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2020

Optical Network Technologies被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、純損失チャネルを介したコherent状態BPSK変調光通信に対して、光量子回路を用いて複数パルスを共同検出する量子メッセージパッシング（BPQM）受信機を提案する。長さ5の二値線形符号の8語のコードワードを識別する最小誤り確率の量子限界に到達し、古典的単一パルス検出を著しく上回る性能を示し、小型の光量子コンピュータを用いてホーレボ容量に到達する可能性を示唆している。

ABSTRACT

For space-based laser communications, when the mean photon number per received optical pulse is much smaller than one, there is a large gap between communications capacity---measured in bits communicated per pulse---achievable with a receiver that detects (converts from optical to electrical domain) each modulated pulse one at a time, versus with the quantum-optimal joint-detection receiver that acts on a long codeword comprised of $n$ modulated pulses; an effect often termed superadditive capacity. The action of this receiver cannot be described as the detection of each individual pulse, interspersed with classical feedforward and soft-information post-processing. In this paper, we consider the simplest scenario where a large superadditive capacity is known: a pure-loss channel with a coherent-state binary phase-shift keyed (BPSK) modulation. The two BPSK states can be mapped conceptually to two non-orthogonal states of a single qubit, described by an inner product that is a function of the mean photon number of each BPSK pulse. Using this map, we derive an explicit construction of the quantum circuit of a joint-detection receiver based on a recent idea of belief-propagation with quantum messages (BPQM) [arXiv:1607.04833]. We analyze this scheme rigorously and show that it achieves the quantum limit of minimum average error probability in discriminating $8$ (BPSK) codewords of a length-$5$ binary linear code with a tree factor graph. We quantify its performance improvement over the (Dolinar) receiver that optimally detects one pulse at a time. Our result suggests that a BPQM-receiver might attain the Holevo capacity, the quantum limit of classical communication capacity, of this BPSK-modulated pure-loss channel. This suggests a new application for a small, special-purpose, photonic quantum computer capable of so-called cat-basis universal qubit logic.

研究の動機と目的

• 古典的限界と量子的限界の差を埋めるために、共同検出受信機を設計することで、低光子数光通信における性能ギャップを解消すること。
• 個々のパルス検出が最適でない、コherent状態BPSK変調純損失チャネルにおける超加法的容量増益を扱うこと。
• 信念伝播に量子メッセージを用いるBPQMに基づく量子回路を構築し、コードワードの共同検出を実装すること。
• BPQM受信機がBPSKコードワードを識別する際、最小誤り確率の量子限界に到達できることを示すこと。
• 小型の特殊用途光量子コンピュータを用いて、光通信におけるホーレボ容量に到達する可能性を検討すること。

提案手法

• BPSK変調光パルスを、平均光子数に依存する内積を持つ非正交状態にマッピングする。
• 長さn=5のパルスのコードワード全体に対して共同検出を実行するBPQMフレームワークに基づく量子回路を構築する。
• 二値線形符号の木型要因グラフ表現を用いて、メッセージパッシングプロトコルの構造を整える。
• キャット基底における普遍的キュービット論理を用いて、光量子回路における必要な量子操作を実装する。
• 最小平均誤り確率を指標として、受信機の性能を分析する。
• BPQM受信機の誤り性能を、1パルスずつ最適に検出するドリナール受信機と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BPQMベースの受信機は、長さ5のBPSKコードワードを識別する際、最小誤り確率の量子限界に到達できるか？
• RQ2 BPSK変調純損失チャネルにおいて、BPQM受信機の誤り確率はドリナール受信機と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 BPQM受信機は、低光子数光通信における超加法的容量をどの程度活用できるか？
• RQ4 キャット基底における普遍的キュービット操作を用いて、ホーレボ容量に到達する光量子回路を実装することは可能か？
• RQ5 BPQMフレームワークは、より一般的な光通信シナリオにおいて、量子容量限界に拡張可能か？

主な発見

• BPQM受信機は、長さ5の二値線形符号の8語のBPSKコードワードを識別する際、最小平均誤り確率の量子限界に到達した。
• ドリナール受信機との性能差は顕著であり、共同検出が個別パルス検出を上回ることの優位性を実証した。
• BPQM受信機の誤り確率は理論的な量子限界と一致しており、与えられた符号とチャネルにおいて最適性が確認された。
• 結果から、BPQM受信機はBPSK変調純損失チャネルのホーレボ容量に到達可能である可能性が示唆された。
• キャット基底における普遍的キュービット論理を用いた小型特殊用途光量子コンピュータで、このような受信機を実装することが可能であると示唆された。
• 明示的な量子回路構築により、量子強化型受信機の光量子実装の実用的ブループrintが得られた。