[논문 리뷰] State transfer with separable optical beams and variational quantum algorithms with classical light

Sooryansh Asthana, V. Ravishankar|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 66인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 분리 가능한 광비트와 궤도각운동량(OAM) 모드를 사용하여 양자 정보 작업을 위한 고전적 광학 프레임워크를 제안한다. 등가 광비트(EOBs)를 도입하여 고전적 얽힘을 필요로 하지 않고 OAM 및 편광과 같은 도메인 간 상태 전송을 가능하게 하며, 고전적 빛을 사용한 변분 양자 알고리즘을 기계학습에 적용하는 것을 보여주며, 명시적인 프로토콜과 실험 가능성 분석을 포함한다.

ABSTRACT

Classical electromagnetic fields and quantum mechanics -- both obey the principle of superposition alike. This opens up many avenues for simulation of a large variety of phenomena and algorithms, which have hitherto been considered quantum mechanical. In this paper, we propose two such applications. In the first, we introduce a new class of beams, called equivalent optical beams, in parallel with equivalent states introduced in [Bharath & Ravishankar, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.062110]. These beams have the same information content for all practical purposes. Employing them, we show how to transfer information from one degree of freedom of classical light to another, without any need for classically entangled beams. Next, we show that quantum machine learning can be performed with OAM beams through the implementation of a quantum classifier circuit. We provide explicit protocols and explore the possibility of their experimental realization.

연구 동기 및 목표

• 고전적 전자기장에 의한 양자 정보 프로토콜의 고전적 대응을 탐색하기 위해.
• 양자 얽힘 또는 단일 광자 소스를 요구하지 않고도 양자 알고리즘을 구현하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 양자 기계학습과 상태 전송이 고전적 빛을 통해 초위상과 분리 가능한 광비트를 활용하여 실현될 수 있음을 보여주기 위해.
• OAM과 편광 도메인 간의 정보 전송을 위한 실험적으로 실현 가능한 프로토콜을 제공하기 위해.
• 다른 도메인 간 정보 내용을 유지하는 등가 광비트(EOBs)를 위한 공식적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 등가 광비트(EOBs)를 등가 양자 상태의 고전적 대응으로 정의하여, 도메인 간 동일한 정보 내용을 갖도록 한다.
• 특정 조합의 파울리 연산자와 광비트 매개변수를 사용하여 순수한 분리 가능한 광비트의 비코herent 초위상을 통해 EOB를 생성한다.
• 예를 들어 편광과 OAM과 같은 도메인 간 상태 전송을 위해 사영 측정과 유니터리 변환을 사용하는 프로토콜을 설계한다.
• 밀도 행렬 유사 형식을 고전적 광비트에 적용하며, 벨 유사 기저에서의 사영 측정을 나타내는 연산자 Π1부터 Π4를 사용한다.
• 측정 후 최종 상태를 교정하고 정렬하기 위해 OAM 도메인에서 유니터리 변환(eiTC_i π)을 적용한다.
• 측정 투영에 대한 추적 연산을 통해 최종 광비트 상태를 유도하며, 이는 (1 + η ˆTC · ⃗p)/(2T + 1)에 비례하는 출력 상태를 얻는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 얽힘을 요구하지 않고도 고전적 빛의 서로 다른 도메인 간 정보 전송이 가능한가?
• RQ2 OAM 모드를 갖는 고전적 광비트로 얼마나 많은 정도의 양자 기계학습 알고리즘이 실현 가능한가?
• RQ3 등가 광비트는 고전적 시뮬레이션을 통해 양자 프로토콜을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 어떻게 변분 양자 알고리즘을 분리 가능한 광비트를 사용하는 고전적 빛 시스템에 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 현재 광학 기술로 이러한 프로토콜을 실현하는 데 있어 실험적 제약 조건과 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 분리 가능한 광비트의 비코herent 초위상을 통해 등가 광비트(EOBs)를 성공적으로 구성하였으며, 수치 시험에서 목표 상태와의 노름 차이가 0.01 이하로 매우 가까운 근사치를 달성하였다.
• 편광에서 OAM 도메인으로의 정보 전송은 사영 측정과 유니터리 연산을 통해 이루어졌으며, 최종 OAM 상태는 (1 + η ˆTC · ⃗p)/(2T + 1)로 주어져 전체 상태 재구성 정밀도를 보였다.
• 투영으로 인한 강도 감소는 25%로 나타났으며, 이는 추적 연산 결과 Tr(Π1[JA ⊗ JBC]) = 1/4 × (1 + η ˆTC · ⃗p)/(2T + 1) 와 일치하였다.
• 모든 네 가지 측정 투영(Π1에서 Π4까지)에 대해 최종 OAM 상태가 (1 + η ˆTC · ⃗p)/(2T + 1)에 비례하는 것으로 나타나 프로토콜의 강건성과 대칭성을 입증하였다.
• 단일 광자 소스가 필요 없이 표준 광학 장치(예: 웨이브플레이트, 비스플리터, 모드 분리기)를 사용하여 프로토콜이 실험적으로 실현 가능하다.
• 이 프레임워크는 고전적 빛을 사용한 변분 양자 알고리즘의 구현을 가능하게 하며, 초위상 원리에 기반해 고전 시스템에서도 양자 우위 유사 기능이 나타날 수 있음을 보여주었다.