[论文解读] Experimental investigating communication in a superposition of causal orders

Yu Guo, Xiao‐Min Hu+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文通过光学量子开关，实验验证了在量子通信中通过叠加因果顺序可提升经典与量子信息的传输速率。通过控制量子比特的相干控制操作顺序，研究显示其相对于经典因果顺序具有可测量的优势，验证了量子通信理论中的一个理论预测。

ABSTRACT

Quantum mechanics allows for the superposition of quantum states, thereby bringing about the great success of quantum communications. Recently, in the so-called quantum switch, the relative orders between quantum operations can also be coherently controlled with the help of an auxiliary system. In conventional quantum Shannon theory, however, communication channels are assumed to be combined in a classical way. Relaxing this assumption, it was shown theoretically that one can transmit information through a quantum switch. Here, we experimentally demonstrate this enhancement on the rates of communication for both classical and quantum information with the help of an optical quantum switch. Our results present evidence of the advantages of the superposition of causal orders in the communications domain.

研究动机与目标

• 探究因果顺序的叠加是否能够提升量子信息系统中的通信速率。
• 检验量子开关可实现超越经典因果顺序的信息传输增强的理论预测。
• 在光学设置中实验实现并验证用于经典与量子通信的量子开关。
• 量化因果叠加在通信容量和保真度方面的优势。

提出的方法

• 通过受控-Hadamard 门在光学量子开关中实现，以相干叠加两个量子操作的顺序。
• 处于叠加态的控制量子比特使一系列幺正操作的顺序纠缠，从而实现因果顺序的相干叠加。
• 在光子系统中使用偏振编码的量子比特，对经典和量子信息传输协议进行了测试。
• 通过测量在叠加因果顺序与固定因果顺序下的信道容量和保真度，评估通信速率。
• 实验采用干涉技术以保持相干性，并确保量子开关的稳定运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 因果顺序的叠加是否能导致量子信道中更高的通信速率？
• RQ2 在信息传输中，因果叠加相对于经典因果顺序的定量优势是什么？
• RQ3 量子开关如何增强经典与量子通信容量？
• RQ4 该优势在真实实验条件和退相干下是否具有鲁棒性？

主要发现

• 实验表明，与固定因果序列相比，使用叠加因果顺序时通信速率有可测量的提升。
• 通过光学量子开关，经典与量子信息的传输速率均得到增强。
• 结果证实了理论预测：因果叠加在量子通信中提供根本性优势。
• 量子开关实现了对操作顺序的相干控制，保持了量子相干性并提高了信道容量。