[论文解读] Quantum illumination with asymmetrically squeezed two-mode light

Yonggi Jo, Taek Jeong+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出一种使用非对称压缩双模（ASTM）光的高斯量子照明协议，通过分别对初始双模压缩真空（TMSV）态的每个模式施加独立的单模压缩，生成ASTM态。该方法在不需使用高亮度TMSV态的情况下，通过提升信号模式能量，增强了目标探测性能，尤其在实际接收机下表现更优，实现了即使在实际约束条件下仍优于经典照明的量子优势。

ABSTRACT

We propose Gaussian quantum illumination(QI) protocol exploiting asymmetrically squeezed two-mode(ASTM) state that is generated by applying single-mode squeezing operations on each mode of an initial two-mode squeezed vacuum(TMSV) state, in order to overcome the limited brightness of a TMSV state. We show that the performance of the optimal receiver is enhanced by local squeezing operation on a signal mode whereas the performance of a realistic receiver can be enhanced by local squeezing operations on both input modes. Under a fixed mean photon number of the signal mode, the ASTM state can be close to the TMSV state in the performance of QI while there is a threshold of beating classical illumination in the mean photon number of the initial TMSV state. We also verify that quantum discord cannot be a resource of quantum advantage in the Gaussian QI using the ASTM state, which is a counterexample of a previous claim.

研究动机与目标

• 解决当前技术能力下生成高亮度双模压缩真空（TMSV）态用于量子照明的技术难题。
• 通过在信号和本影模式上施加局域压缩操作，克服TMSV态亮度有限的问题，提升信号能量的同时保持量子关联。
• 证明在实际接收机中对信号和本影模式同时施加局域压缩可提升性能，即使最优接收机仅从信号模式压缩中受益。
• 通过提供反例，挑战此前认为量子失谐是高斯量子照明中量子优势主要资源的观点。

提出的方法

• 通过在初始TMSV态的每个模式上施加独立的单模压缩操作，生成ASTM态，从而同时增加信号和本影模式的平均光子数。
• 使用量子切尔诺夫界（QCB）评估最优接收机的性能，假设可在测量前施加单位操作。
• 基于位移-零拍双模（dHTD）检测方案实现一种实际接收机，以评估在实际约束下的性能表现。
• 比较基于ASTM的量子照明（QI）、使用高亮度TMSV态的传统QI以及使用相干态与零拍检测的经典照明（CI）在目标探测中的误码率。
• 分析ASTM态中的量子失谐，以评估其在实现量子优势中的作用，将量子失谐作为潜在资源度量指标。
• 系统性地改变局域压缩参数（N₁, N₂）和相对压缩相位（φ₁ − φ₂），以确定最优检测配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使最优接收机仅从信号模式压缩中受益，对信号和本影模式同时施加局域压缩操作是否仍能提升实际接收机中量子照明的性能？
• RQ2 是否存在初始TMSV态平均光子数的阈值，低于该阈值时基于ASTM的QI无法超越经典照明？
• RQ3 如先前所声称，量子失谐是否足以作为高斯量子照明中实现量子优势的资源？
• RQ4 局域压缩操作之间的相对相位如何影响dHTD接收机中的探测性能？
• RQ5 在固定信号模式平均光子数条件下，ASTM态是否仍能在不匹配高亮度TMSV态性能的前提下，实现对经典照明的量子优势？

主要发现

• 在量子切尔诺夫界分析下，仅对信号模式施加局域压缩可提升最优接收机性能，而对本影模式施加局域压缩则无影响。
• 在实际dHTD接收机中，对信号和本影模式同时施加局域压缩可提升探测性能，且当两个压缩参数相等（N₁ = N₂）时性能最佳。
• 只要压缩参数足够高，即使初始TMSV态的平均光子数较低（例如N₀ = 1），ASTM态也能在相同信号能量下实现对经典照明的量子优势。
• 初始TMSV态的平均光子数存在一个阈值，低于该阈值时基于ASTM的QI无法超越经典照明，表明该协议的有效性存在实际限制。
• 该协议提供了一个反例，以挑战“量子失谐是高斯QI中量子优势的主要资源”这一说法，因为在该设置中量子失谐与性能增益无相关性。
• ROC曲线显示，在相同信号能量下，基于ASTM的QI优于经典照明，且最佳性能出现在φ₁ = φ₂时，证实了局域压缩操作中相位对齐的重要性。