[論文レビュー] Quantum Shockwave Communication

Aida Ahmadzadegan, Eduardo Martín-Martínez+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、事前に時刻を設定したもつれ状態にあるUnruh-DeWitt検出器を用いて、量子場にコherentなショック波を生成する量子ショック波通信方式を提案する。この方式により、エネルギー伝播とは独立して空間的に形状された情報伝送が可能になる。主な結果として、発信者間のもつれが局所的エネルギー密度とチャネル容量を向上させることを示し、信号感度とノイズのバランスを最適化する受信機の結合強度が存在することが判明した。

ABSTRACT

We present a scheme to produce shockwaves in quantum fields by means of pretimed emitters. We find that by suitably pre-entangeling the emitters, the shockwave's energy density can be locally modulated and amplified. When the large amplitudes in such a shockwave are used for communication, the channel capacity depends not only on the signal-to-noise ratio but also on the effect that the entanglement of the emitters has on the correlations in the signal and in the quantum noise at the receiver. As a consequence, by choosing the entanglement of the emitters, the flow of information in the shockwave can be modulated and spatially shaped to some extent independently of the flow of energy. We also find that there exists a finite optimal strength of the coupling between the receiver and the quantum field which optimizes the channel capacity by optimizing the tradeoff between sensitivity to the signal and sensitivity to the coupling-induced quantum noise.

研究の動機と目的

• 空の時空において、事前に時刻を設定した空間的に分離された量子発信者を用いて、量子ショック波を設計可能かどうかを検討すること。
• 発信者間のもつれがショック波のエネルギー密度と情報伝送能力に与える影響を調査すること。
• 量子ショック波において、エネルギー伝播とは独立して情報伝送を空間的に形状可能かどうかを検証すること。
• チャネル容量を最大化する受信機と量子場との間の最適な結合強度を特定すること。
• このようなショック波が量子通信および測定応用に実用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 3+1次元ミンコフスキー時空における自由スカラー量子場に結合するUnruh-DeWitt検出器として発信者をモデル化する。
• 摂動論的でない正確な場の相互作用を計算可能にするために、デルタ関数型のスイッチング関数を用いる。
• 場の結合における紫外発散を回避するため、空間的に局在化したスメアリング関数（半径0.5）を採用する。
• 複数の発信者（アリス）を事前にもつれており、エネルギー密度を変調可能なコherentなショック波を生成する。
• 受信機の励起確率を結合強度の関数として解析し、チャネル容量を特定する。
• 摂動論的でない手法を用いて、受信機-場結合に起因する信号感度とノイズのトレードオフを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前に時刻を設定した超光速でない発信者のみを用いて、空の時空における量子場にショック波を生成できるか？
• RQ2 発信者間のもつれが、生成されたショック波のエネルギー密度と情報伝送能力にどのように影響を与えるか？
• RQ3 量子ショック波において、情報伝送をエネルギー伝播とは独立して空間的に形状可能である程度はどの程度か？
• RQ4 受信機と量子場との間の最適な結合強度が存在し、チャネル容量を最大化するか？
• RQ5 発信者間のもつれが、量子通信の非古典的符号化方式を可能にするか？

主な発見

• 発信者を事前にもつれさせることで、ショック波のエネルギー密度を局所的に変調・増幅でき、情報伝送の空間的形状が可能になる。
• 情報伝送は多粒子もつれに依存するが、エネルギー伝播は二粒子もつれにのみ依存するため、独立した制御が可能になる。
• 受信機と場との間に有限の最適な結合強度が存在し、それ以上に結合すると量子ノイズが優勢となり、チャネル容量が減少する。
• 最適な結合強度は信号強度や発信者の結合に依存せず、受信機設計における普遍的なトレードオフを示唆している。
• 発信者の結合強度ともつれが増加するにつれてチャネル容量は上昇するが、高結合度ではノイズの影響で飽和するため、非単調な最適化が確認された。
• この方式は量子MIMO系に一般化可能であり、時間反転操作により超解像量子測定を実現可能となる可能性がある。