[논문 리뷰] Superdense Coding with Linear Optics

Mladen Pavičić|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 10.

Optical Network Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 선형 광학을 사용하여 얽힌 광자 쌍에 대해 한 광자만 조작함으로써 네 개의 고전적 메시지를 인코딩하는 결정론적 슈퍼다이브 코딩 프로토콜을 제안한다. 표준 및 편광 분리기들을 통해 네 개의 명확하게 구별 가능한 상태로 이루어진 혼합 기저를 사용함으로써, 이 방법은 100%의 정밀도로 완전한 슈퍼다이브 코딩을 실현하며, 이를 위해 메시지의 50%를 기각하거나 광자의 33%를 기각함으로써 결정론성을 확보한다.

ABSTRACT

We discuss a scheme for a full superdense coding of entangled photon states employing only linear-optics elements. By using the mixed basis consisting of four states that are unambiguously distinguishable by a standard and polarizing beam splitters we can deterministically transfer four messages by manipulating just one of the two entangled photons. The sender achieves the determinism of the transfer either by giving up the control over 50% of sent messages (although known to her) or by discarding 33% of incoming photons.

연구 동기 및 목표

• 오직 선형 광학 구성 요소만을 사용하여 완전히 결정론적인 슈퍼다이브 코딩 프로토콜을 개발하는 것.
• 비선형 상호작용이 필요 없이 단일 얽힌 광자 쌍을 사용해 네 개의 고전적 비트를 전송하는 것.
• 선형 광학을 이용해 네 개의 양자 상태를 구별하는 데 도전하는 문제를 해결하여 결정론적 통신을 실현하는 것.
• 결정론성을 유지하면서 기각된 광자나 사용되지 않는 메시지의 수를 줄여 자원 오버헤드를 최소화하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 표준 및 편광 분리기를 사용해 명확하게 구별 가능한 네 개의 양자 상태로 이루어진 혼합 기저를 사용한다.
• 송신자는 얽힌 쌍의 한 광자만 조작하여 네 메시지 중 하나를 인코딩한다.
• 결정론성은 들어오는 광자의 33%를 기각하거나, 메시지의 50%를 제어하지 않는 방식으로 달성되며, 이는 모두 송신자에게 알려져 있다.
• 상태 준비 및 측정을 구현하기 위해 빔 스플리터와 웨이브플레이트와 같은 선형 광학 요소를 사용한다.
• 명확한 상태 분석을 사용함으로써 프로토콜이 성공할 경우 메시지 복원에 오류가 발생하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오직 선형 광학 구성 요소만을 사용해 결정론적 슈퍼다이브 코딩을 달성할 수 있는가?
• RQ2 선형 광학을 사용한 결정론적 슈퍼다이브 코딩에 필요한 최소 자원 비용(기각된 광자 또는 메시지 수)은 얼마인가?
• RQ3 선형 광학과 단일 얽힌 광자 쌍만을 사용해 네 개의 고전적으로 구별 가능한 메시지를 신뢰성 있게 인코딩하고 복원할 수 있는가?
• RQ4 명확하게 구별 가능한 상태의 사용이 선형 광학 기반 슈퍼다이브 코딩의 신뢰성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 프로토콜은 비선형 요소가 필요 없이 오직 선형 광학을 사용해 결정론적 슈퍼다이브 코딩을 실현한다.
• 이 기법은 얽힌 광자 쌍의 한 광자만 조작함으로써 네 개의 고전적 메시지를 전송할 수 있다.
• 결정론성은 들어오는 광자의 33%를 기각하거나 메시지의 50%를 제어하지 않는 방식으로 확보되며, 이는 모두 송신자에게 알려져 있다.
• 네 개의 명확하게 구별 가능한 상태로 이루어진 혼합 기저의 사용은 프로토콜이 성공할 경우 오류 없는 메시지 복원을 가능하게 한다.