[论文解读] The Ultimate Rate of Quantum Communications

Stefano Pirandola, Riccardo Laurenza+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文利用一种称为量子隐形传态拉伸的维度无关技术，以及基于纠缠相对熵的上界，确立了量子通信的终极点对点速率——包括纠缠分发、量子密钥分发和量子态传输。该研究推导出基本量子信道（包括玻色型损耗、放大器、去极化和擦除信道）的容量，确立了在无量子中继器情况下的根本速率-损耗权衡极限。

ABSTRACT

Quantum communications promises reliable transmission of quantum information, efficient distribution of entanglement and generation of completely secure keys. For all these tasks, we need to determine the optimal point-to-point rates that are achievable by two remote parties at the ends of a quantum channel, without restrictions on their local operations and classical communication, which can be unlimited and two-way. These two-way assisted capacities represent the ultimate rates that are reachable without quantum repeaters. By constructing an upperbound based on the relative entropy of entanglement and devising a dimension-independent technique dubbed teleportation stretching, we establish these capacities for many fundamental channels, namely bosonic lossy channels, quantum-limited amplifiers, dephasing and erasure channels in arbitrary dimension. In particular, we determine the fundamental rate-loss trade-off affecting any protocol of quantum key distribution. Our findings set the ultimate limits of point-to-point quantum communications and provide the most precise and general benchmarks for quantum repeaters.

研究动机与目标

• 确定纠缠分发、量子密钥分发和量子态传输等量子通信任务的终极点对点速率。
• 在不限制本地操作和经典通信的条件下建立这些速率，允许无限双向经典通信。
• 识别限制所有量子密钥分发协议的根本速率-损耗权衡。
• 通过确立点对点通信的理论极限，为未来量子中继器的性能提供通用且精确的基准。

提出的方法

• 作者引入一种称为量子隐形传态拉伸的维度无关技术，用于分析和界定量子信道的容量。
• 他们利用纠缠相对熵作为资源度量，推导出可实现速率的上界。
• 该方法适用于一大类量子信道，包括任意维度下的玻色型损耗信道、量子限幅放大器信道、去极化信道和擦除信道。
• 通过将量子隐形传态拉伸与基于纠缠的上界相结合，作者实现了对双向辅助容量的紧密表征。
• 该方法避免了对本地操作结构的假设，允许在任意本地处理和无限双向经典通信下进行一般性分析。
• 该框架使得多种基本信道的精确容量得以推导，确立了无量子中继器情况下的理论极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在允许双向经典通信的情况下，玻色型损耗信道上的量子通信终极速率是多少？
• RQ2 在任意维度的去极化和擦除信道中，纠缠分发和量子密钥分发的容量如何随信道损耗变化？
• RQ3 限制所有量子密钥分发协议的根本速率-损耗权衡是什么？
• RQ4 是否可以使用单一、统一的框架，在不假设有限维结构的前提下，表征多种量子信道的双向辅助容量？
• RQ5 点对点量子通信的精确理论极限是什么？这些极限是量子中继器必须超越的基准？

主要发现

• 本文精确确定了任意维度下玻色型损耗信道、量子限幅放大器信道、去极化信道和擦除信道的双向辅助容量。
• 它识别出限制所有量子密钥分发协议的根本速率-损耗权衡，为这类系统提供了目前已知最紧的基准。
• 量子隐形传态拉伸技术实现了维度无关的分析，使结果可广泛适用于各种物理实现。
• 使用纠缠相对熵作为上界，得出了紧密且可推广的容量极限。
• 结果确立了点对点量子通信的终极理论极限，为量子中继器的评估提供了标准。
• 该框架完整表征了无量子中继器情况下的可实现速率，使未来量子网络的性能可被精确评估。