Квантовое освещение
Квантовое освещение — это парадигма обнаружения целей, которая использует квантовую запутанность между сигнальной электромагнитной модой и холостой электромагнитной модой, а также совместное измерение этих мод. Мода сигнала распространяется к определенной области пространства и либо теряется, либо отражается, в зависимости от того, отсутствует или присутствует цель соответственно. В принципе, квантовое освещение может быть полезным, даже если первоначальная запутанность полностью разрушена окружением с потерями и шумом.
Введение
[ редактировать ]Многие приложения квантовой информации , такие как квантовая телепортация , [ 1 ] квантовая коррекция ошибок и сверхплотное кодирование основаны на запутанности. Однако запутанность является хрупким квантовым свойством между частицами и может быть легко разрушена потерями и шумами, возникающими в результате взаимодействия с окружающей средой, что приводит к квантовой декогеренции . некоторые показали, что, хотя сама запутанность может не сохраниться, остаточная корреляция между двумя изначально запутанными системами остается намного выше, чем может обеспечить любое начальное классическое состояние. Это означает, что использование запутанности не следует сбрасывать со счетов в сценариях ее разрушения.
Квантовое освещение использует преимущества этих более сильных, чем классические, остаточных корреляций между двумя системами для достижения повышения производительности по сравнению со всеми схемами, основанными на передаче классических состояний с сопоставимыми уровнями мощности. Доказано, что квантовое освещение особенно полезно в очень шумной обстановке.
История
[ редактировать ]Теория
[ редактировать ]Концепция квантового освещения была представлена Сетом Ллойдом и его коллегами из Массачусетского технологического института в 2008 году. Она включала версию с дискретной переменной. [ 2 ] и версия с непрерывной переменной, разработанная в сотрудничестве с Джеффри Шапиро , Стефано Пирандолой, Сайкатом Гуха и другими, [ 3 ] последняя версия основана на гауссовских состояниях. [ 4 ]
Основная установка квантового освещения — обнаружение цели. Здесь отправитель готовит две запутанные системы, называемые сигнальной и ленивой. Холостой ход сохраняется, пока сигнал отправляется на проверку наличия объекта с низкой отражательной способностью в области с ярким фоновым шумом. Затем отражение от объекта объединяется с оставшейся холостой системой в совместном квантовом измерении, обеспечивающем два возможных результата: объект присутствует или объект отсутствует. Точнее, процесс зондирования повторяется много раз, так что в приемнике собирается множество пар систем-холостых сигналов для совместного квантового обнаружения.
Преимущество схемы очевидно при низких энергиях, когда среднее число фотонов в каждой сигнальной системе очень мало (порядка одного фотона или меньше). В этом случае при фиксированной низкой энергии вероятность успеха в обнаружении цели значительно улучшается по сравнению с классическими схемами обнаружения, где перепутывание не используется и сигнальные системы готовятся в когерентных состояниях (технически наблюдается улучшение на 6 дБ). в показателе ошибки [ 3 ] ). Ключевой особенностью квантового освещения является то, что запутанность между холостой системой и системой отраженного сигнала при этом полностью теряется. Однако остаточные квантовые корреляции между этими двумя системами (холостой сигнал) остаются настолько сильными, что их могло создать только наличие запутанности в исходных системах (холостой сигнал). Поскольку отраженный сигнал квантово-коррелирован с удерживаемой холостой системой, его можно выделить среди всех некоррелированных фоновых тепловых фотонов, которые также принимаются детектором. Благодаря такой квантовой маркировке систем обнаружение квантового освещения становится очень эффективным.
В 2015 году международное сотрудничество, координируемое Стефано Пирандолой. [ 5 ] [ 6 ] расширил протокол квантового освещения до микроволновых частот, создав таким образом первый теоретический прототип квантового радара .
Оригинальное предложение от [ 3 ] анализировался в байесовском режиме проверки гипотез , в котором априорные вероятности присваиваются гипотезам об отсутствии или наличии цели. В 2017 году была опубликована исследовательская работа [ 7 ] проанализировали квантовое освещение в методе Неймана-Пирсона или асимметричной настройке проверки гипотез, что представляет интерес для приложений квантового радара . Было обнаружено, что прирост производительности от квантового освещения даже больше, чем от. [ 3 ]
В 2017 году оптимальную конструкцию ствольной коробки предложили Кунтао Чжуан, Чжэшен Чжан и Джеффри Шапиро . [ 8 ] Квантовое освещение также было распространено на сценарий затухания цели . [ 9 ]
В 2020 году Ранджит Наир и Майл Гу установили предельные пределы квантового освещения, допускающие произвольное количество оптических мод, связанных с квантовой памятью, для всех уровней фонового шума. [ 10 ] Результаты также показали, что улучшение на 6 дБ невозможно превзойти – оно достижимо только при очень сильном фоновом шуме.
Сопутствующая работа по безопасной связи
[ редактировать ]В 2009 году была разработана схема безопасной связи, основанная на квантовом освещении. [ 11 ] было предложено. Эта схема представляет собой вариант квантовых криптографических протоколов, основанных на непрерывных переменных и двусторонней квантовой связи, представленных Стефано Пирандолой, Сетом Ллойдом и его сотрудниками. [ 12 ] в 2008 году.
Эксперимент
[ редактировать ]В 2013 г. Лопаева и др. использовал корреляцию числа фотонов вместо запутанности в неоптимальном эксперименте по обнаружению целей. [ 13 ] Чтобы проиллюстрировать преимущества квантовой запутанности , в 2013 году Чжан и др. сообщил об эксперименте по безопасной связи, основанном на квантовом освещении, и впервые продемонстрировал, что запутанность может обеспечить существенное преимущество в производительности при наличии квантовой декогеренции . [ 14 ] В 2015 году Чжан и др. применил квантовое освещение в зондировании и показал, что использование запутанности может дать более высокое соотношение сигнал/шум , чем может обеспечить оптимальная классическая схема, даже несмотря на то, что среда с большими потерями и шумом полностью разрушает первоначальную запутанность. [ 15 ] [ 16 ] Таким образом, этот сенсорный эксперимент подтвердил оригинальные теоретические положения квантового освещения. Первая экспериментальная попытка реализовать микроволновое квантовое освещение была основана на использовании параметрического усилителя Джозефсона и цифрового приемника. [ 17 ] [ 18 ] Что касается визуализации, то в 2019 г. England et al. продемонстрировал этот принцип, визуализируя изображение через шум в конфигурации сканирования. [ 19 ] О первой системе полноформатной визуализации, основанной на квантовом освещении, которая использует пространственно запутанные пары фотонов для визуализации в присутствии шума и потерь, сообщалось в двух последовательных публикациях в 2019 году. [ 20 ] и 2020 год [ 21 ] двумя исследовательскими группами из Университета Глазго.
Приложения
[ редактировать ]Потенциальные применения квантового освещения включают обнаружение целей в условиях высокого фонового шума, а также сверхчувствительную биологическую визуализацию и зондирование , а также безопасную связь .
Репортажи в СМИ
[ редактировать ]В научно-популярных СМИ появилось несколько новостных статей о квантовом освещении. [ 22 ] [ 23 ] с целью объяснить концепцию квантового освещения менее техническими терминами.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Беннетт, Чарльз Х .; Брассар, Жиль ; Крепо, Клод ; Джожа, Ричард ; Перес, Ашер ; Вуттерс, Уильям К. (29 марта 1993 г.). «Телепортация неизвестного квантового состояния по двойному классическому каналу и каналу Эйнштейна-Подольского-Розена» . Письма о физических отзывах . 70 (13). Американское физическое общество (APS): 1895–1899. Бибкод : 1993PhRvL..70.1895B . CiteSeerX 10.1.1.46.9405 . doi : 10.1103/physrevlett.70.1895 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10053414 .
- ^ Ллойд, Сет (12 сентября 2008 г.). «Повышенная чувствительность фотодетектирования посредством квантового освещения». Наука . 321 (5895). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1463–1465. Бибкод : 2008Sci...321.1463L . дои : 10.1126/science.1160627 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18787162 . S2CID 30596567 .
- ^ Jump up to: а б с д Тан, Си-Хуэй; Эркмен, Барис И.; Джованнетти, Витторио; Гуха, Сайкат; Ллойд, Сет ; Макконе, Лоренцо; Пирандола, Стефано; Шапиро, Джеффри Х. (18 декабря 2008 г.). «Квантовое освещение с гауссовскими состояниями». Письма о физических отзывах . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Бибкод : 2008PhRvL.101y3601T . дои : 10.1103/physrevlett.101.253601 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19113706 . S2CID 26890855 .
- ^ Видбрук, Кристиан; Пирандола, Стефано; Гарсия-Патрон, Рауль; Серф, Николас Дж.; Ральф, Тимоти К.; Шапиро, Джеффри Х.; Ллойд, Сет (1 мая 2012 г.). «Гауссова квантовая информация». Обзоры современной физики . 84 (2): 621–669. arXiv : 1110.3234 . Бибкод : 2012РвМП...84..621Вт . дои : 10.1103/revmodphys.84.621 . ISSN 0034-6861 . S2CID 119250535 .
- ^ Барзандже, Шабир; Гуха, Сайкат; Видбрук, Кристиан; Виталий, Дэвид; Шапиро, Джеффри Х.; Пирандола, Стефано (27 февраля 2015 г.). «Микроволновое квантовое освещение». Письма о физических отзывах . 114 (8): 080503.arXiv : 1503.00189 . Бибкод : 2015PhRvL.114h0503B . doi : 10.1103/physrevlett.114.080503 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 25768743 . S2CID 119189135 .
- ^ Квантовая механика могла бы улучшить радар , Физика 8 , 18 (2015)( [1] )
- ^ Уайльд, Марк М.; Томамичел, Марко; Берта, Марио; Ллойд, Сет (2017). «Проверка гауссовой гипотезы и квантовое освещение». Письма о физических отзывах . 119 (12). Американское физическое общество (APS): 120501. arXiv : 1608.06991 . Бибкод : 2017PhRvL.119l0501W . doi : 10.1103/PhysRevLett.119.120501 . ПМИД 29341649 . S2CID 1949571 .
- ^ Чжуан, Куньтао; Чжан, Чжэшэнь; Шапиро, Джеффри Х. (27 января 2017 г.). «Оптимальная дискриминация смешанного состояния для обнаружения с усилением шумовой запутанности». Письма о физических отзывах . 118 (4): 040801. arXiv : 1609.01968 . Бибкод : 2017PhRvL.118d0801Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.118.040801 . ПМИД 28186814 . S2CID 206284828 .
- ^ Чжуан, Куньтао; Чжан, Чжэшэнь; Шапиро, Джеффри Х. (15 августа 2017 г.). «Квантовое освещение для улучшенного обнаружения целей с Рэлеевским затуханием». Физический обзор А. 96 (2): 020302. arXiv : 1706.05561 . Бибкод : 2017PhRvA..96b0302Z . дои : 10.1103/PhysRevA.96.020302 . S2CID 56098241 .
- ^ Наир, Ранджит; Гу, Майл (20 июля 2020 г.). «Фундаментальные пределы квантового освещения» . Оптика . 7 (7): 771–774. arXiv : 2002.12252 . Бибкод : 2020Оптика...7..771N . дои : 10.1364/OPTICA.391335 . ISSN 2334-2536 . S2CID 211532448 .
- ^ Шапиро, Джеффри Х. (17 августа 2009 г.). «Победа над пассивным подслушиванием с помощью квантового освещения». Физический обзор А. 80 (2). Американское физическое общество (APS): 022320. arXiv : 0904.2490 . Бибкод : 2009PhRvA..80b2320S . дои : 10.1103/physreva.80.022320 . ISSN 1050-2947 . S2CID 56094608 .
- ^ Пирандола, Стефано; Манчини, Стефано; Ллойд, Сет; Браунштейн, Сэмюэл Л. (11 июля 2008 г.). «Квантовая криптография с непрерывными переменными с использованием двусторонней квантовой связи». Физика природы . 4 (9). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 726–730. arXiv : Quant-ph/0611167 . Бибкод : 2008NatPh...4..726P . дои : 10.1038/nphys1018 . ISSN 1745-2473 . S2CID 12062818 .
- ^ Лопаева, Э.Д.; Руо Берчера, И.; Дегиованни, ИП; Оливарес, С.; Брида, Г.; Дженовезе, М. (10 апреля 2013 г.). «Экспериментальная реализация квантового освещения». Письма о физических отзывах . 110 (15): 153603. arXiv : 1303.4304 . Бибкод : 2013PhRvL.110o3603L . дои : 10.1103/physrevlett.110.153603 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 25167266 . S2CID 636404 .
- ^ Чжан, Чжэшэнь; Тенгнер, Мария; Чжун, Тянь; Вонг, Франко, Северная Каролина; Шапиро, Джеффри Х. (1 июля 2013 г.). «Выгода от запутанности сохраняется в канале, разрушающем запутанность». Письма о физических отзывах . 111 (1). Американское физическое общество (APS): 010501. arXiv : 1303.5343 . Бибкод : 2013PhRvL.111a0501Z . doi : 10.1103/physrevlett.111.010501 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 23862986 . S2CID 6269724 .
- ^ Чжан, Чжэшэнь; Мурадян, Сара; Вонг, Франко, Северная Каролина; Шапиро, Джеффри Х. (20 марта 2015 г.). «Обнаружение с усилением запутывания в среде с потерями и шумом». Письма о физических отзывах . 114 (11): 110506. arXiv : 1411.5969 . Бибкод : 2015PhRvL.114k0506Z . дои : 10.1103/physrevlett.114.110506 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 25839252 . S2CID 15101562 .
- ^ Преимущества квантового датчика выдерживают разрушение запутанности , MIT News, 9 марта (2015 г.), ( [2] )
- ^ Барзанье, С.; Пирандола, С.; Виталий Д.; Финк, Дж. М. (2020). «Микроволновое квантовое освещение с использованием цифрового приёмника» . Достижения науки . 6 (19): eabb0451. arXiv : 1908.03058 . Бибкод : 2020SciA....6..451B . дои : 10.1126/sciadv.abb0451 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 7272231 . ПМИД 32548249 .
- ^ «Впервые продемонстрирован квантовый радар» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 15 июня 2020 г.
- ^ Англия, Дункан Г.; Баладжи, Бхашьям; Сассман, Бенджамин Дж. (19 февраля 2019 г.). «Квантовое обнаружение противостояния с использованием коррелированных пар фотонов» . Физический обзор А. 99 (2): 023828. arXiv : 1811.04113 . Бибкод : 2019PhRvA..99b3828E . дои : 10.1103/PhysRevA.99.023828 . S2CID 53616393 .
- ^ Дефинн, Х.; Райхерт, М.; Флейшер, Дж.; Фаччо, Д. (2019). «Квантовая дистилляция изображений» . Достижения науки . 5 (10): eaax0307. arXiv : 1907.06526 . Бибкод : 2019SciA....5..307D . дои : 10.1126/sciadv.aax0307 . ISSN 2375-2548 . ПМК 6799981 . ПМИД 31667343 .
- ^ Грегори, Т.; Моро, Пенсильвания; Тонинелли, Э.; Пэджетт, MJ (2020). «Изображение сквозь шум с квантовым освещением» . Достижения науки . 6 (6): eaay2652. arXiv : 1907.09370 . Бибкод : 2020SciA....6.2652G . дои : 10.1126/sciadv.aay2652 . ПМК 7007263 . ПМИД 32083179 .
- ^ «Разорванные квантовые связи все еще работают» . Природа . 499 (7457). Springer Science and Business Media LLC: 129. 2013. doi : 10.1038/499129a . ISSN 0028-0836 .
- ^ Лиза Гроссман (17 июля 2013 г.). «Хрупкость запутанности не является препятствием для квантовых тайн» . Новый учёный . Проверено 16 ноября 2019 г.
