[论文解读] Effect of noisy channels on the transmission of mesoscopic twin-beam states

Alessia Allevi, Maria Bondani|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 38被引用 11

一句话总结

本文研究了在量子通信信道中，介观孪光束（TWB）态对噪声和损耗的鲁棒性。通过全面的分析模型，表明即使在显著损耗和各种噪声类型下，非经典性——以噪声压缩因子量化——仍可得以保持，其中亚泊松噪声比超泊松噪声影响更小，从而在现实条件下实现可靠的纠缠检测。

ABSTRACT

Quantum properties of light, which are crucial resources for Quantum Technologies, are quite fragile in nature and can be degraded and even concealed by the environment. We show, both theoretically and experimentally, that mesoscopic twin-beam states of light can preserve their nonclassicality even in the presence of major losses and different types of noise, thus suggesting their potential usefulness to encode information in Quantum Communication protocols. We develop a comprehensive general analytical model for a measurable nonclassicality criterion and find thresholds on noise and losses for the survival of entanglement in the twin beam.

研究动机与目标

• 评估介观孪光束（TWB）态在量子通信中对环境噪声和信道损耗的鲁棒性。
• 开发一种通用的分析模型，用于测量噪声和损耗信道中的非经典性。
• 确定TWB态中纠缠被破坏的噪声和损耗阈值。
• 通过将泊松噪声和多模热噪声源与TWB态混合，实验验证该模型。
• 基于推导的理论框架，表征噪声或量子态。

提出的方法

• 将TWB态建模为具有µ个相同组分的多模热态，由多模热分布描述。
• 将噪声压缩因子R定义为非经典性的可测量标准，以光子数方差和散粒噪声水平表示。
• 推导出考虑单臂中不对称损耗（η, t）和不相关噪声（⟨mN⟩, σ²(mN)）的R的广义解析表达式。
• 将模型应用于三种噪声类型：泊松噪声（σ² = ⟨mN⟩）、单模热噪声（σ² > ⟨mN⟩）和亚泊松噪声（σ² < ⟨mN⟩）。
• 通过将噪声源与介观TWB混合并测量所得R值，利用实验数据验证模型。
• 针对不对称损耗条件（⟨m1⟩ = η⟨n⟩, ⟨m2⟩ = tη⟨n⟩）简化模型，以分析真实信道效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类型的噪声（泊松、热、亚泊松）如何影响介观孪光束态的非经典性？
• RQ2 噪声和损耗超过何种阈值后，TWB态中的纠缠将不再可检测？
• RQ3 噪声压缩因子R能否作为损耗和噪声信道中非经典性的可靠、可实验测量标准？
• RQ4 不对称损耗（t < 1）如何影响TWB态在噪声下非经典关联的存活？
• RQ5 该模型在多大程度上能基于测量的R值区分量子态与噪声源？

主要发现

• 即使在显著损耗和噪声下，噪声压缩因子R仍保持低于1（表明非经典性），证明介观TWB态具有鲁棒性。
• 对于泊松噪声，R简化为仅含损耗的表达式形式，噪声项仅出现在分母中。
• 亚泊松噪声（例如来自条件测量）可在t < 1时实际提高R值，表明在不对称条件下非经典性得到增强。
• 当µN = 1（单模）时，多模热噪声影响最严重，R中的最后一项在µN = 1时达到最大值。
• 当µN较大时，热噪声贡献可忽略不计，噪声影响因而减弱。
• 模型成功表征了量子态和噪声源，实验验证表明可测量的R值具有可靠性。