[논문 리뷰] Superadditive Communication with the Green Machine: A Practical Demonstration of Nonlocality without Entanglement

Chaohan Cui, Jack Postlewaite외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비정렬 양자 상태를 사용하여 실용적인 공동 검출 수신기인 그린 머신(Green Machine)을 제안하고 실험적으로 검증한다. 이 수신기는 이분법적 위상이동 키싱(BPSK) Hadamard 코드워드에 능동적이지 않은 선형 Hadamard 변환을 적용하여 펄스 위치 변조(PPM) 신호로 변환함으로써 초가산적 용량을 달성한다. 이 수신기는 광자 부족 환경에서 기존의 심볼별 검출 방식을 뛰어넘어 더 높은 광자 정보 효율성(PIE)을 달성하며, 위상 노이즈에 대해 수 개의 주기만큼 강인함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비엔트링된 양자 상태를 사용하여 실생활에서 구현 가능한 광통신 수신기에서 초가산적 통신 용량을 실험적으로 입증하는 것.
• 우주 탐사 등 광자 흐름이 극히 낮은 환경에서 심볼별 검출 방식의 한계를 극복하는 것.
• 비엔트링된 양자 상태를 사용하지 않고도 비국소성(nonlocality)을 실현할 수 있는 물리적으로 실현 가능한 공동 검출 수신기인 그린 머신을 설계하고 구현하는 것.
• BPSK 변조된 Hadamard 코드와 단일 광자 검출기를 사용하여 실험실 환경에서 이론적 홀로우 용량 증가를 검증하는 것.
• 자기 기반 위상 안정화 기법을 통해 대기 흐트러짐이나 기계적 진동으로 인한 위상 노이즈에 대한 저감 효과를 입증하는 것.

제안 방법

• 그린 머신은 편광 유지 섬유, 50:50 분배기, 위상 조절기로 구성된 네트워크를 사용하여 BPSK Hadamard 코드워드를 PPM 유사 신호 패tern으로 단위적으로 변환하는 능동적이지 않은 선형 Hadamard 변환을 구현한다.
• 고온 안정성 섬유 보드와 함께, 밝은 프로브 레이저, 조절 가능한 위상 조절기, 실시간 FPGA 기반 제어 시스템을 포함한 피드백 루프를 통해 활성 위상 보정을 수행한다.
• 세 단계(S1, S2, S3)의 위상 드리프트는 섬유 지름 간의 상대 위상을 스캔하고, 저대역폭 InGaAs 검출기와 PID 제어 전압 신호를 이용해 간섭 무늬를 최대화 또는 최소화함으로써 보정한다.
• 데이터 수집은 2ns 사라짐 시간을 가진 초도체 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)를 사용하며, 6.25MHz 클록에 동기화되고 TimeTagger Ultra 시스템에 의해 기록된다.
• 수신기는 연속 루프로 작동한다: 30ms 동안 위상 보정 후 고감도 감쇠 조건을 모의한 데이터 수집을 수행하며, 각 감쇠 수준에 대해 16회 반복된다.
• 50ms 보호된 심볼 윈도우 동안 광자 수확량을 측정하고, PIE(광자 정보 효율성)는 샤논 용량과 펄스당 평균 광자 수의 비율로 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선형 광학 장치와 양자 얽힘이 없는 조건에서 실용적인 공동 검출 수신기가 광자 부족 환경에서 초가산적 용량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 수신기에서 수신 광자 수가 낮을 경우 그린 머신이 심볼별 수신기 대비 광자 정보 효율성(PIE)에서 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 환경적 요인(온도 변화, 진동 등)으로 인한 위상 노이즈를 억제하는 데 있어 자기 기반 위상 안정화 기법의 효과는 어떠한가?
• RQ4 기존의 PPM 또는 심볼별 검출 방식과 비교했을 때 BPSK 변조된 Hadamard 코드를 사용한 그린 머신의 용량 증가는 어느 정도인가?
• RQ5 이론적으로 예측된 엔트레인먼트 없이도 비국소성이 발생하는 현상이 실생활 광통신 시스템에서 단일 광자 검출을 통해 실험적으로 실현 가능한가?

주요 결과

• 그린 머신 수신기는 심볼별 검출의 한계를 초월하는 광자 정보 효율성(PIE)을 달성하여 광자 수가 적은 환경에서 초가산성을 입증한다.
• 내부 손실을 고려한 결과, 그린 머신의 용량은 모든 실용적인 심볼별 수신기의 용량을 뛰어넘어 이론적 홀로우 용량 이득을 확인한다.
• 30ms 위상 보정 주기 후 100ms 이상 위상 안정성을 유지하여 동적 환경에서도 신뢰성 있는 운영이 가능하다.
• 자기 기반 위상 제어 기법은 기존 BPSK 수신기 대비 위상 노이즈에 대한 민감도를 수 개의 주기만큼 감소시켜 대기 흐트러짐이나 플랫폼 진동에 매우 강건함을 입증한다.
• BPSK 변조된 Hadamard 코드워드를 사용한 실험은 측정 가능한 용량 증가를 성공적으로 입증하였으며, k > 1일 때 단일 펄스 한계(PIE¹)를 초월하는 PIE 값을 달성한다.
• 결과적으로 그린 머신을 통한 공동 검출은 어떤 실현 가능한 심볼별 수신기보다도 높은 비트당 펄스 수를 달성함으로써, 실생활 통신 환경에서 엔트레인먼트 없이도 비국소성이 존재한다는 원리를 검증한다.