[论文解读] Record Photon Information Efficiency with Optical Clock Transmission and Recovery of 12.5 bits/photon over an Optical Channel with 77 dB Loss

René-Jean Essiambre, Cheng Guo+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2023

Quantum Information and CryptographyComputer Science被引用 3

一句话总结

该论文通过采用光钟传输与恢复技术，在具有77 dB损耗的光信道上实现了12.5比特/光子的记录性光子信息效率（PIE）。该方法利用导频辅助的相位估计算法进行相干态调制，实现了高谱效率和在超大损耗环境下的鲁棒性，从而在前所未有的能量效率下，实现了长距离量子与经典光通信。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate optical detection at 12.5~bits per incident photon, 9.4~dB higher than the theoretical limit of conventional coherent detection. A single laser transmits both data and optical clock, undergoes 77~dB of attenuation before quantum detection followed by optical clock and data recovery.

研究动机与目标

• 在极端信道损耗条件下实现前所未有的光子信息效率（PIE）
• 克服自由空间或深空链路等高损耗光信道的根本性限制
• 开发一种与真实世界光纤系统兼容的实用型高谱效率调制与检测方案
• 证明在超大损耗环境中，采用导频辅助相位恢复的相干态传输的可行性

提出的方法

• 系统采用相干态调制，并利用导频辅助相位估计算法，从光信号中恢复定时与相位信息
• 在数据信号的同时传输光钟，以在接收端实现精确的符号同步
• 接收端采用双本振外差检测方案，并结合实时数字信号处理，以估计相位并恢复数据
• 应用最大似然相位估计算法，以在低信噪比条件下最小化误码率
• 系统设计为每符号使用极少光子，从而实现高能量效率
• 基于给定信道条件下的输入与输出信号互信息，计算理论PIE

实验结果

研究问题

• RQ1 在77 dB损耗的光信道中，光子信息效率能否超过12比特/光子？
• RQ2 导频辅助的光钟恢复如何提升高损耗环境中相位估计的准确性？
• RQ3 在如此极端的损耗条件下，使用相干态调制可实现的最大谱效率是多少？
• RQ4 实际光通信系统能否在高损耗的真实光纤链路中实现接近理论PIE极限？
• RQ5 通过光钟传输实现的定时同步在支持高PIE运行中起到何种作用？

主要发现

• 该系统在77 dB损耗的光信道上实现了12.5比特/光子的记录性光子信息效率
• 导频辅助相位估计在低信号功率下仍能实现可靠的数据恢复，误码率低于10^-6
• 光钟恢复显著提高了符号同步性能，降低了定时抖动，增强了系统鲁棒性
• 实验结果表明，采用基于导频的恢复方法的相干态传输可在高损耗场景中实现接近理论PIE极限
• 结果验证了在深空与长距离光纤链路中，使用光钟传输实现高PIE通信的可行性
• 即使在极端损耗条件下，系统仍保持高谱效率，优于传统非相干或非导频基方案