[论文解读] Superadditive Communication with the Green Machine: A Practical Demonstration of Nonlocality without Entanglement

Chaohan Cui, Jack Postlewaite+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文提出并实验演示了Green Machine，这是一种面向光通信的实用联合检测接收器，通过在二元相移键控（BPSK）哈达玛码字上施加无源线性哈达玛变换，将其转换为脉冲位置调制（PPM）信号以实现检测，从而在光子匮乏的环境下实现超加性容量。该接收器在光子匮乏条件下超越了逐符号检测的性能，实现了更高的光子信息效率（PIE），并展现出对相位噪声的极高免疫能力。

ABSTRACT

Achieving the ultimate Holevo limit of optical communication capacity requires a joint-detection receiver which makes a collective quantum measurement over multiple modulated symbols. Such superadditivity -- a higher communication rate than that achievable by symbol-by-symbol optical detection -- is a special case of the well-known nonlocality without entanglement and has yet to be demonstrated. In this article, we propose and demonstrate a design of joint-detection receivers, the Green Machine, that can achieve superadditivity. We build this receiver and show that its capacity surpasses any symbol-by-symbol receivers in the photon-starved regime with binary-phase-shift-keying (BPSK). Our Green Machine receiver can also significantly reduce the transmitter peak power requirement compared with the pulse-position modulation (the conventional modulation format used for deep space laser communication). We further show that the self-referenced phase makes it immune to phase noise, e.g., atmospheric turbulence or platform vibrations.

研究动机与目标

• 通过使用非纠缠量子态，在实际、现实世界的光通信接收器设置中演示超加性通信容量。
• 克服在低光子通量环境下逐符号检测的局限性，例如深空光通信中的情况。
• 设计并实现一种物理上可实现的联合检测接收器——称为Green Machine，实现在光通信中无需纠缠的非局域性。
• 在实验室环境中通过BPSK调制的哈达玛码和单光子探测，验证理论上的霍尔沃夫容量增益。
• 通过自参考相位稳定技术，证明系统对大气湍流或机械振动引起的相位噪声具有鲁棒性。

提出的方法

• Green Machine通过保偏光纤网络、50:50分束器和相位调制器实现无源线性哈达玛变换，以酉方式将BPSK哈达玛码字映射为类似PPM的信号模式。
• 系统采用热稳定光学基板，结合明亮参考激光、可调相位调制器和实时FPGA控制系统的反馈回路，实现主动相位校正。
• 通过扫描光纤臂之间的相对相位，并利用低带宽InGaAs探测器最大化/最小化干涉条纹，对三个阶段（S1、S2、S3）的相位漂移进行校正。
• 数据采集通过超导纳米线单光子探测器（SNSPD）完成，死时间2ns，与6.25MHz时钟同步，由TimeTagger Ultra系统记录。
• 接收器以连续循环运行：先进行30ms相位校正，随后在高衰减条件下进行数据采集以模拟真实信道条件，每个衰减点重复16次。
• 在50ms保护符号窗口内测量光子产额，PIE（光子信息效率）计算为香农容量与每脉冲平均光子数的比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅使用线性光学且无纠缠的情况下，实用的联合检测接收器是否能在光子匮乏条件下实现超加性容量？
• RQ2 在接收光子通量较低时，Green Machine在光子信息效率（PIE）方面相较于逐符号接收器的性能提升程度如何？
• RQ3 自参考相位稳定技术在抑制环境扰动（如温度漂移或振动）引起的相位噪声方面效果如何？
• RQ4 与传统PPM或逐符号检测相比，使用BPSK调制的哈达玛码时，Green Machine可实现的容量增益是多少？
• RQ5 理论上无需纠缠的非局域性现象是否可在具备单光子探测能力的真实世界光通信系统中实现？

主要发现

• Green Machine接收器实现的光子信息效率（PIE）超过逐符号检测的极限，证明了在低光子环境下具有超加性特性。
• 在考虑内部损耗后，Green Machine的容量仍超过所有实际的逐符号检测接收器，证实了理论上的霍尔沃夫容量优势。
• 系统在30ms相位校正周期后，相位稳定性可维持超过100ms，支持在动态环境中可靠运行。
• 自参考相位控制使系统对相位噪声的敏感度相比传统BPSK接收器降低多个数量级，显著增强了对大气湍流或平台振动的鲁棒性。
• 实验成功展示了使用BPSK调制哈达玛码的可测量容量增益，PIE值在k > 1时超过单脉冲极限（PIE¹）。
• 结果证实，通过Green Machine实现的联合检测可实现比任何物理上可实现的逐符号检测接收器更高的每脉冲比特率，从而在实际通信场景中验证了无需纠缠的非局域性原理。