[論文レビュー] Superadditive Communication with the Green Machine: A Practical Demonstration of Nonlocality without Entanglement

Chaohan Cui, Jack Postlewaite+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非エンタングル量子状態を用いて、光通信における実用的で実世界に即した共同検出受信機「グリーンマシン」を提案し、実験的にその有効性を示している。この受信機は、バイナリ位相シフトキーイング（BPSK）のハダマール符号に被動的線形ハダマール変換を施し、それをパルス位置変調（PPM）信号に変換することで、光子が極めて少ない状態でも超加法的容量を達成する。この受信機は、光子が不足する状況下で、符号ごとの検出を上回り、光子情報効率（PIE）が向上し、位相ノイズに対しては桁違いの耐性を示す。

ABSTRACT

Achieving the ultimate Holevo limit of optical communication capacity requires a joint-detection receiver which makes a collective quantum measurement over multiple modulated symbols. Such superadditivity -- a higher communication rate than that achievable by symbol-by-symbol optical detection -- is a special case of the well-known nonlocality without entanglement and has yet to be demonstrated. In this article, we propose and demonstrate a design of joint-detection receivers, the Green Machine, that can achieve superadditivity. We build this receiver and show that its capacity surpasses any symbol-by-symbol receivers in the photon-starved regime with binary-phase-shift-keying (BPSK). Our Green Machine receiver can also significantly reduce the transmitter peak power requirement compared with the pulse-position modulation (the conventional modulation format used for deep space laser communication). We further show that the self-referenced phase makes it immune to phase noise, e.g., atmospheric turbulence or platform vibrations.

研究の動機と目的

• 非エンタングル量子状態を用いた実用的で現実世界の光通信受信機の設定において、超加法的通信容量を実証すること。
• 深宇宙光通信など光子フラックスが低い状況下で、符号ごとの検出の限界を克服すること。
• 非局所性をエンタングルメントなしに実現可能な物理的に実現可能な共同検出受信機（「グリーンマシン」として知られる）の設計および実装。
• BPSK変調ハダマール符号と単一光子検出を用いて、実験室環境で理論的ホールボ容量増大を検証すること。
• 自己参照位相安定化により、大気乱流や機械的振動に起因する位相ノイズに対する耐性を高めること。

提案手法

• グリーンマシンは、偏光維持ファイバ、50:50ビームスプリッタ、位相変調器を用いたネットワークにより、被動的線形ハダマール変換を実装し、BPSKハダマール符号をPPMに類似した信号パターンにユニタリーに変換する。
• 高温安定化された光学ブレッドボード上に、明るいプローブレーザ、可変位相変調器、リアルタイムFPGA制御システムを組み合わせたフィードバックループを用いたアクティブ位相補正を実施する。
• 3段階（S1, S2, S3）の位相ドリフトは、ファイバーパath間の相対位相をスキャンし、低帯域のInGaAs検出器とPID制御電圧信号を用いて干渉縞を最大・最小化することで補正する。
• データ取得には、2nsのデッドタイムを持つ超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用い、6.25MHzクロックに同期し、TimeTagger Ultraシステムで記録する。
• 受信機は連続ループで動作：30msの位相補正の後、実際のチャネル状態を模倣するため高減衰状態でデータ収集を行い、各減衰ポイントで16回繰り返す。
• 50msのガーディングシンボルウィンドウ内で光子収率を測定し、PIE（光子情報効率）はシャノン容量と1パルスあたりの平均光子数の比として計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的で共同検出受信機は、線形光学とエンタングルメントなしに、光子が極めて少ない状態下でも超加法的容量を達成できるか？
• RQ2 受信光子フラックスが低い状況下で、グリーンマシンは符号ごとの検出受信機と比較して、どの程度光子情報効率（PIE）で優れているか？
• RQ3 自己参照位相安定化は、温度変化や振動などの環境的要因に起因する位相ノイズをどの程度効果的に低減できるか？
• RQ4 BPSK変調ハダマール符号を用いた場合、従来のPPMや符号ごとの検出と比較して、グリーンマシンが達成可能な容量増大はどの程度か？
• RQ5 理論的に予想されるエンタングルメントなしの非局所性現象が、単一光子検出を伴う現実世界の光通信システムで実験的に実現可能か？

主な発見

• グリーンマシン受信機は、符号ごとの検出の限界を超える光子情報効率（PIE）を達成し、低光子状態下で超加法的性質を示した。
• 内部損失を補正した後、グリーンマシンの容量は、すべての実用的符号ごとの検出受信機を上回り、理論的ホールボ容量優位性を確認した。
• 30msの位相補正サイクル後、100ms以上にわたり位相安定性を維持でき、動的環境下でも信頼性ある運用が可能である。
• 自己参照位相制御により、従来のBPSK受信機と比較して位相ノイズへの感受性が桁違いに低下し、大気乱流やプラットフォームの振動に対しても高い耐性を示した。
• BPSK変調ハダマール符号を用いた実験により、測定可能な容量増大を実証した。PIE値はk > 1の状況で、1パルスあたりの限界を上回った。
• 結果は、グリーンマシンによる共同検出が、いかなる物理的に実現可能な符号ごとの検出受信機よりも高いビット/パルスレートを実現できることを確認し、実世界の通信文脈においてエンタングルメントなしの非局所性の原則を実証した。