[论文解读] Capacity of optical reading, Part 1: Reading boundless error-free bits using a single photon

Saikat Guha, Jeffrey H. Shapiro|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用 25

一句话总结

本文表明，量子力学对通过光学探测从被动反射表面读取的无 error 位数无根本性上限。它证明，利用联合检测接收器和非经典 W 态探测光，可实现每光子无限位的读取，优于理想条件下仅能实现约 0.5 位/光子的经典相干态探测光。

ABSTRACT

We show that nature imposes no fundamental upper limit to the number of information bits per expended photon that can, in principle, be read reliably when classical data is encoded in a medium that can only passively modulate the amplitude and phase of the probe light. We show that with a coherent-state (laser) source, an on-off (amplitude-modulation) pixel encoding, and shot-noise-limited direct detection (an overly-optimistic model for commercial CD/DVD drives), the highest photon information efficiency achievable in principle is about 0.5 bit per transmitted photon. We then show that a coherent-state probe can read unlimited bits per photon when the receiver is allowed to make joint (inseparable) measurements on the reflected light from a large block of phase-modulated memory pixels. Finally, we show an example of a spatially-entangled non-classical light probe and a receiver design---constructable using a single-photon source, beam splitters, and single-photon detectors---that can in principle read any number of error-free bits of information. The probe is a single photon prepared in a uniform coherent superposition of multiple orthogonal spatial modes, i.e., a W-state. The code, target, and joint-detection receiver complexity required by a coherent-state transmitter to achieve comparable photon efficiency performance is shown to be much higher in comparison to that required by the W-state transceiver.

研究动机与目标

• 确定使用光学探测光从被动反射表面检索信息的终极量子极限。
• 分析光学读取中光子效率（位/光子）与编码效率（位/像素）之间的权衡。
• 评估非经典光与联合检测接收器是否可超越经典相干态探测光的性能。

提出的方法

• 采用量子信息理论框架，将光学读取建模为玻色信道上的通信问题。
• 在平均光子数约束下分析容量，并考虑相干态与非经典（W 态）探测光状态。
• 推导相位调制存储像素的 Holevo 容量，并证明联合测量可实现无上限的光子效率。
• 提出一种物理可实现的接收器，利用单光子源、分束器和单光子探测器，实现对 W 态探测光的联合检测。
• 比较相干态与 W 态收发器的性能，表明后者可实现无上限的光子效率。
• 评估达到目标误码率所需的错误指数与码长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在被动反射介质中，使用光学探测时，每光子可读取的无 error 位数的根本上限是多少？
• RQ2 非经典光与联合检测接收器是否可超越经典相干态探测光在光学读取中的性能？
• RQ3 在理想直接检测条件下，使用相干态探测光时，可实现的光子效率（位/光子）是多少？
• RQ4 在光子效率与接收器复杂度方面，W 态探测光联合检测的性能与相干态探测光相比如何？
• RQ5 在给定误码概率下，实现特定光子效率所需的最小像素数是多少？

主要发现

• 当使用联合检测接收器与相位调制存储像素时，每光子可读取的无 error 位数无根本性上限。
• 在使用相干态探测光与理想直接检测时，最大光子效率约为 0.5 位/光子。
• 当在大块相位调制像素上使用联合检测接收器时，相干态探测光可实现无上限的光子效率。
• W 态探测光（单光子处于多个空间模式的均匀叠加态）可仅用一个光子读取任意数量的无 error 位。
• 与 W 态收发器相比，实现相当光子效率的相干态收发器接收器复杂度显著更高，尽管该优势在系统损耗增加时会减弱。
• 非经典探测光与联合检测可达到 Holevo 容量，而经典探测光与标准接收器则无法达到这一量子极限。