[论文解读] Fulfilling entanglement's optimal advantage via converting correlation to coherence

Haowei Shi, Bingzhi Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出了一种相关性到位移（C2D）转换模块，可将噪声环境中、纠缠被破坏的系统中的剩余量子关联转化为相干正交位移，从而实现一类广义的纠缠增强协议的最优测量设计。通过利用外差检测和无源线性光学，将多模量子探测映射为单模相干态探测，该方法在量子照明、相位估计、通信及信道模式分类中均实现了最优性能，即使在非渐近区域也超越了经典极限。

ABSTRACT

Entanglement boosts performance limits in sensing and communication, and surprisingly the advantage over classical protocols can be even larger in presence of entanglement-breaking noise. However, to maximally fulfill such advantages requires an optimal measurement design, a challenging task as information is encoded in the feeble quantum correlation after entanglement is destroyed by loss and noise. For this reason, the optimal measurement design is still elusive for various entanglement-enhanced protocols long after their debut. We propose a conversion module to capture and transform the quantum correlation to coherent quadrature displacement, which enables the optimal receiver design for a wide range of entanglement-enhanced protocols, including quantum illumination, phase estimation, classical communication, and arbitrary thermal-loss channel pattern classification. Via heterodyne and passive linear optics, the conversion module maps the multi-mode quantum detection problem to the semi-classical detection problem of a single-mode noisy coherent state, so that explicit measurements can be constructed to achieve the optimal performance. Our module provides a paradigm of processing noisy quantum correlations for near-term implementation.

研究动机与目标

• 解决在纠缠破坏性噪声下，纠缠增强协议中最优测量设计这一长期存在的难题。
• 通过将脆弱的量子关联转换为可测量的相干态，实现传感与通信中近期待实验实现的最优量子优势。
• 利用单一模块化框架，统一并扩展各类协议——量子照明、相位估计、经典通信及信道模式分类中的最优性能。
• 证明在热损耗信道模式分类中存在六分贝误差指数优势，这是量子信息领域长期存在的经验性说法。

提出的方法

• C2D转换模块通过无源线性光学和外差检测，将具有剩余关联的多模量子态映射为单模噪声相干态。
• 该变换保留了所有相关量子信息，从而可通过标准相干态探测技术实现最优测量。
• 该方法基于高斯态理论和广义零拍测量统计推导出的数学映射，确保在损耗和噪声下信息的保全。
• 它利用已知的最优相干态分辨接收器（如Dolinar接收器），实现Helstrom极限和量子Chernoff界。
• 该框架将复杂的多模量子探测简化为半经典探测，从而实现可显式构造且可实现的测量设计。
• 理论分析证明，C2D转换实现了量子态分辨的Helstrom极限，并在相位估计中饱和了量子费舍尔信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用在纠缠破坏性噪声下仍存留的量子关联，实现传感与通信协议中的最优性能？
• RQ2 是否存在一种通用方法，可在无信息损失的前提下，将剩余量子关联转换为可测量的相干态？
• RQ3 C2D模块能否在量子照明、相位估计和经典通信等多种协议中实现最优性能？
• RQ4 C2D框架能否实现热损耗信道模式分类中六分贝误差指数优势的证明？
• RQ5 能否仅通过线性光学和光子探测实现最优测量设计，从而支持近期待实验实现？

主要发现

• C2D转换模块在量子照明中实现了量子态分辨的Helstrom极限，实现了在损耗和噪声下的最优目标探测。
• 该方法通过在高斯态下饱和量子费舍尔信息，实现了最优相位估计，即使在热噪声和损耗存在的情况下亦然。
• 该框架在热损耗信道模式分类中实现了最优误差指数，证明了相较于经典方法的六分贝优势。
• 该转换将多模量子探测简化为单模相干态探测，从而仅通过外差检测和无源线性光学即可实现显式且可实现的测量设计。
• 该方法支持非渐近性能分析，将量子优势的适用范围扩展至传统渐近工具无法触及的区域。
• C2D模块提供了一个通用框架，统一实现了量子照明、相位传感、经典通信及模式分类中的最优性能。