[论文解读] Error free Quantum Reading by Quasi Bell State of Entangled Coherent States

Osamu Hirota|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于纠缠相干态的准贝尔态的无误码量子读取方法，通过相位移反射实现二进制存储状态（0 和 1）的完美区分。通过使用非经典且最大纠缠的态，在反射后内积为零，该方法超越了标准量子极限，无论光强如何，均可实现零误码概率，其关键在于最优量子测量。

ABSTRACT

Non-classical states of light field have been exploited to provide marvellous results in quantum information science. Effectiveness of nonclassical states depends on whether physical parameter as signal is continuous or digital. Here we present an investigation on the potential of quasi Bell state of entangled coherent states in quantum reading of the classical digital memory which was pioneered by Pirandola. This is a typical example of discrete quantum discrimination. We show that the quasi Bell state gives the error free performance in the quantum reading that cannot be obtained by any classical state.

研究动机与目标

• 研究纠缠相干态的准贝尔态在经典数字存储量子读取中的潜力。
• 克服使用非经典光在二进制存储状态区分中所受的标准量子极限限制。
• 证明通过特定纠缠态与最优测量可实现无误码性能。
• 阐明纠缠在非正交态中对数字量子区分的作用。

提出的方法

• 该研究采用幅度移键控（ASK）或相位移键控（PSK）模型，以相干态作为存储信号。
• 采用准贝尔态 |Ψ₂⟩ = h₂(|α⟩_A|α⟩_B − |−α⟩_A|−α⟩_B)，其中 h₂ = 1/√[2(1−κ²)] 且 κ = ⟨α|−α⟩。
• 系统通过反射在模式 B 上施加相位移 π（U_B(π)），将 |Ψ₂(0)⟩ 转换为 |Ψ₂(1)⟩ = |Ψ₄⟩。
• 分析表明，⟨Ψ₂(0)|Ψ₂(1)⟩ 的内积恰好为零，确保输出态在任意 |α| 下均正交。
• 在两模系统中应用量子最优接收器，达到赫尔斯特界限。
• 将相干态的误码概率（P_e(C) > 0）与纠缠相干态的误码概率（P_e(ECS) = 0）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 纠缠相干态的准贝尔态能否在数字存储的量子读取中实现无误码区分？
• RQ2 纠缠在非正交相干态中如何提升区分性能，使其超越标准量子极限？
• RQ3 反射后输出态之间的内积是否保持为零，从而确保完美正交性？
• RQ4 在相同条件下，纠缠态的误码概率与相干态相比如何？
• RQ5 无误码性能是否与光源能量无关？

主要发现

• 反射后状态 |Ψ₂(0)⟩ 与 |Ψ₂(1)⟩ 之间的内积恰好为零，即 ⟨Ψ₂(0)|Ψ₂(1)⟩ = 0，与相干态振幅 |α| 无关。
• 由于反射后实现完美正交性，纠缠相干态（ECS）系统的误码概率恰好为零，即 P_e(ECS) = 0。
• 相比之下，相干态探测器的误码概率保持非零，且受赫尔斯特极限约束：P_e(C) = ½[1 − √(1 − 4ξ₀ξ₁exp(−4|α|²))]。
• 无误码性能仅通过准贝尔态的非经典纠缠特性与最优量子测量的结合实现。
• 该结果与光源能量无关，使其在不同功率水平下均具有鲁棒性。
• 该现象特异地源于准贝尔态的纠缠结构，其可将非正交输入态在相位移反射后转化为正交输出态。