[논문 리뷰] Improved detection of lossy channels by two-mode correlated probes

Carmen Invernizzi, Matteo G. A. Paris|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 손실성 보소닉 채널을 탐지하기 위한 최적의 양자 상태를 조사하며, 에너지와 끓임이 고정된 조건에서 이중모드 양자 얽힘 진공 상태가 단일모드 상태보다 손실 탐지에서 뛰어난 성능을 보임을 보여준다. 핵심 결과는 양자 상관관계—양자 얽힘, 상호정보량, 논저드 상관관계를 통해 성능 향상이 일관되게 이루어지며, 현실적인 조건에서 이중모드 양자 얽힘 열 상태가 항상 우월하다는 것이다.

ABSTRACT

We consider the discrimination of lossy bosonic channels and focus to the case when one of the values for the loss parameter is zero, i.e., we address the detection of a possible loss against the alternative hypothesis of an ideal lossless channel. This discrimination is performed by inputting one-mode or two-mode squeezed thermal states with fixed total energy. By optimizing over this class of states, we find that the optimal inputs are pure, thus corresponding to single- and two-mode squeezed vacuum states. In particular, we show that for any value of the damping rate smaller than a critical value there is a threshold on the energy that makes the two-mode squeezed vacuum state more convenient than the corresponding single-mode state, whereas for damping larger than this critical value two-mode squeezed vacua are always better. We then consider the discrimination in realistic conditions, where it is unlikely to have pure squeezing. Thus by fixing both input energy and squeezing, we show that two-mode squeezed thermal states are always better than their single- mode counterpart when all the thermal photons are directed into the dissipative channel. Besides, this result also holds approximately for unbalanced distribution of the thermal photons. Finally, we also investigate the role of correlations in the improvement of detection. For fixed input squeezing (single-mode or two-mode), we find that the reduction of the quantum Chernoff bound is a monotone function of the two-mode entanglement as well as the quantum mutual information and the quantum discord. We thus verify that employing squeezing in the form of correlations (quantum or classical) is always a resource for loss detection whenever squeezed thermal states are taken as input.

연구 동기 및 목표

• 손실성 보소닉 채널의 탐지, 특히 영속실(이상적)과 비영속실을 구분하는 것을 향상시키기 위해.
• 고정된 에너지와 끓임 조건에서 이중모드 상관 상태 프로브가 단일모드 프로브보다 손실 탐지에서 유리한지 여부를 규명하기 위해.
• 끌어낸 열 상태를 사용할 때 양자 및 고전적 상관관계가 탐지 성능 향상에 기여하는 바를 평가하기 위해.
• 비제로 열 노이즈 및 비균형 광자 분포와 같은 현실적인 결함이 영향을 미치는지를 평가하기 위해.

제안 방법

• 전체 에너지가 고정된 한모드 및 이중모드 끓임 열 상태에 대해 최적화하여 손실 탐지에 최적의 입력 상태를 도출하기 위해.
• 손실이 없는 채널과 손실이 있는 채널 간의 구분 성능을 평가하기 위한 기준으로 양자 찬너프 경계를 분석하기 위해.
• 양자 얽힘, 양자 상호정보량, 양자 논저드 상관관계를 사용하여 상관관계의 역할을 정량화하기 위해.
• 다양한 감쇠율과 에너지 임계값에서 이중모드 끓임 진공 상태와 단일모드 끓임 진공 상태를 비교하기 위해.
• 입력 에너지와 끓임을 고정하고 비균형 열 광자 분포를 포함하여 현실적인 조건에서 성능을 평가하기 위해.
• 분석적 및 수치적 방법을 사용하여 다양한 매개변수 영역에서 양자 찬너프 경계와 상관관계 측정치를 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 에너지와 끓임 조건에서 이중모드 끓임 상태를 사용할 경우 단일모드 상태보다 손실성 채널 탐지 성능이 향상되는가?
• RQ2 이중모드 끓임 상태가 항상 단일모드 상태보다 우월한 임계 감쇠율은 얼마인가?
• RQ3 양자 상관관계—양자 얽힘, 상호정보량, 논저드 상관관계—는 손실 탐지 성능 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 모든 열 광자가 손실 채널으로 향할 때 비균형 분포가 존재하는 경우에도 이중모드 프로브의 성능 이점이 유지되는가?
• RQ5 고전적 상관관계와 양자 얽힘은 보소닉 채널의 손실 탐지에 얼마나 함께 기여하는가?

주요 결과

• 전체 에너지가 감쇠율에 따라 달라지는 임계값을 초과할 경우, 이중모드 끓임 진공 상태가 손실 탐지에 최적임이 입증된다.
• 감쇠율이 임계값 이하일 경우, 에너지가 충분히 높을 때에만 이중모드 프로브가 단일모드 프로브를 능가하며, 그렇지 않으면 단일모드 프로브가 더 낫다.
• 감쇠율이 임계값을 초과할 경우, 에너지에 관계없이 이중모드 끓임 진공 상태가 항상 단일모드 상태보다 뛰어나다.
• 에너지와 끓임이 고정된 조건에서, 모든 열 광자가 손실 채널으로 향할 경우, 이중모드 끓임 열 상태는 항상 단일모드 상태를 능가한다.
• 양자 찬너프 경계의 감소는 이중모드 얽힘, 양자 상호정보량, 양자 논저드 상관관계의 함수로서 단조롭게 감소하며, 이는 모든 형태의 상관관계가 탐지 성능 향상에 기여함을 시사한다.
• 끌어낸 열 상태를 입력으로 사용할 경우, 양자 또는 고전적 상관관계의 형태로 끓임을 적용하는 것은 항상 손실 탐지에 유리하다.