[논문 리뷰] Capacity of optical reading, Part 1: Reading boundless error-free bits using a single photon

Saikat Guha, Jeffrey H. Shapiro|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 45인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 광학적 탐측을 통해 수동 반사 표면에서 읽을 수 있는 오류 없는 비트 수에 대해 양자역학이 기본적인 상한을 부과하지 않음을 보여준다. 공동 검출 수신기와 비고전적 W-state 탐측을 사용할 경우, 한 광자당 무한한 비트를 읽을 수 있으며, 이는 이상 조건에서 약 0.5 비트/광자로 제한되는 고전적 위상 일관 상태 탐측보다 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

We show that nature imposes no fundamental upper limit to the number of information bits per expended photon that can, in principle, be read reliably when classical data is encoded in a medium that can only passively modulate the amplitude and phase of the probe light. We show that with a coherent-state (laser) source, an on-off (amplitude-modulation) pixel encoding, and shot-noise-limited direct detection (an overly-optimistic model for commercial CD/DVD drives), the highest photon information efficiency achievable in principle is about 0.5 bit per transmitted photon. We then show that a coherent-state probe can read unlimited bits per photon when the receiver is allowed to make joint (inseparable) measurements on the reflected light from a large block of phase-modulated memory pixels. Finally, we show an example of a spatially-entangled non-classical light probe and a receiver design---constructable using a single-photon source, beam splitters, and single-photon detectors---that can in principle read any number of error-free bits of information. The probe is a single photon prepared in a uniform coherent superposition of multiple orthogonal spatial modes, i.e., a W-state. The code, target, and joint-detection receiver complexity required by a coherent-state transmitter to achieve comparable photon efficiency performance is shown to be much higher in comparison to that required by the W-state transceiver.

연구 동기 및 목표

• 수동 반사 표면을 광학적 탐측을 통해 정보를 회수하는 데 있어 궁극적인 양자적 한계를 규명하기 위해.
• 광학적 독서에서 광자 효율(비트/광자)과 인코딩 효율(비트/픽셀) 간의 상호 상충 관계를 분석하기 위해.
• 비고전적 빛과 공동 검출 수신기가 고전적 위상 일관 상태 탐측보다 성능을 뛰어넘을 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 보존 채널을 통해 통신 문제로 모델링하는 양자 정보 이론적 프레임워크를 사용하여 광학적 독서를 기술한다.
• 평균 광자 수 제약 조건 하에서의 용량을 분석하고, 위상 일관 상태 탐측과 비고전적(W-state) 탐측 상태를 모두 고려한다.
• 위상 변조된 메모리 픽셀에 대한 홀레보 용량을 유도하고, 공동 측정이 무한한 광자 효율을 가능하게 함을 보여준다.
• 단일 광자 소스, 분광기, 단일 광자 검출기를 사용하여 W-state 탐측에 대한 공동 검출을 실현 가능한 수신기로 제안한다.
• 위상 일관 상태 탐측과 W-state 전송 수신기의 성능을 비교하여, 후자가 무한한 광자 효율을 달성함을 보여준다.
• 목표 오류율을 달성하기 위한 오류 지수와 코드 길이 요구 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 반사 매질에서 한 광자당 읽을 수 있는 오류 없는 비트 수에 대한 기본적인 상한은 무엇인가?
• RQ2 비고전적 빛과 공동 검출 수신기가 광학적 독서에서 고전적 위상 일관 상태 탐측의 성능을 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ3 이deal 직접 검출을 사용할 경우, 위상 일관 상태 탐측의 가용 광자 효율(비트/광자)은 얼마인가?
• RQ4 공동 검출을 사용하는 W-state 탐측의 성능은 광자 효율과 수신기 복잡도 측면에서 위상 일관 상태 탐측과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 지정된 오류 확률을 달성하기 위해 필요한 최소 픽셀 수는 무엇인가?

주요 결과

• 공동 검출 수신기를 사용할 경우, 위상 변조된 메모리 픽셀에 대해 한 광자당 읽을 수 있는 오류 없는 비트 수에 대한 기본적인 상한은 존재하지 않는다.
• 위상 일관 상태 탐측과 이상적인 직접 검출을 사용할 경우, 최대 광자 효율은 약 0.5 비트/광자이다.
• 위상 일관 상태 탐측은 큰 크기의 위상 변조 픽셀 블록에서 공동 검출 수신기를 적용할 경우 무한한 광자 효율을 달성할 수 있다.
• W-state 탐측(다중 공간 모드의 균일한 초위상 중첩 상태에 있는 단일 광자)을 사용할 경우, 단 한 개의 광자로도 임의의 수의 오류 없는 비트를 읽을 수 있다.
• 위상 일관 상태 전송 수신기에서 동일한 광자 효율을 달성하기 위한 수신기 복잡도는 W-state 전송 수신기보다 훨씬 높지만, 시스템 손실이 증가함에 따라 이 이점은 점점 줄어든다.
• 비고전적 탐측과 공동 검출은 홀레보 용량에 도달할 수 있지만, 고전적 탐측과 표준 수신기는 이 양자적 한계에 도달하지 못한다.