Kvantové osvětlení - Quantum illumination - Wikipedia

Kvantové osvětlení je paradigma pro detekci cílů, které využívá Kvantové zapletení mezi elektromagnetickým režimem signálu a elektromagnetickým režimem naprázdno, stejně jako společné měření těchto režimů. Režim signálu se šíří směrem k oblasti vesmíru a je buď ztracen, nebo odražen v závislosti na tom, zda cíl chybí nebo je přítomen. V zásadě může být kvantové osvětlení prospěšné, i když je původní zapletení zcela zničeno ztrátovým a hlučným prostředím.

Úvod

Mnoho kvantová informace aplikace, jako např kvantová teleportace,^[1] kvantová korekce chyb, a superhusté kódování, spoléhat se na zapletení. Zapletení je však křehká kvantová vlastnost mezi částicemi a lze ji snadno zničit ztrátou a hlukem vyplývajícím z interakce s prostředím, což vede k kvantová dekoherence. Zapletení je proto považováno za velmi těžké ve ztrátovém a hlučném prostředí.

Lloyd, Shapiro a spolupracovníci ukázali, že i když samotné zapletení nemusí přežít, zbytková korelace mezi dvěma původně zapletenými systémy zůstává mnohem vyšší, než mohou poskytnout jakékoli původní klasické státy. To znamená, že použití zapletení by nemělo být odmítnuto ve scénářích prolomení zapletení.

Kvantové osvětlení využívá těchto silnějších než klasických zbytkových korelací mezi dvěma systémy k dosažení zvýšení výkonu u všech schémat založených na přenosu klasických stavů se srovnatelnými úrovněmi výkonu. Kvantové osvětlení je užitečné zejména v extrémně ztrátových a hlučných situacích.

Dějiny

Teorie

Koncept kvantového osvětlení poprvé představil Seth Lloyd a spolupracovníci na MIT v roce 2008.^[2][3] Teoretický návrh kvantového osvětlení pomocí Gaussových stavů^[4] byl navržen uživatelem Jeffrey Shapiro a spolupracovníky^[3].

Základní nastavení kvantového osvětlení je detekce cíle. Zde odesílatel připravuje dva zapletené systémy, nazývané signál a idler. Volnoběžné kolo je zachováno, zatímco je vysílán signál, aby se prozkoumala přítomnost objektu s nízkou odrazivostí v oblasti s jasným šumem pozadí. Odraz od objektu je poté kombinován se zadrženým systémem idler ve společném kvantovém měření poskytujícím dva možné výsledky: objekt přítomný nebo objekt chybí. Přesněji řečeno, proces sondování se mnohokrát opakuje, takže se v přijímači shromáždí mnoho párů systémů signál-napařovač pro společnou kvantovou detekci.

Výhoda schématu je patrná při nízkých energiích, kde je průměrný počet fotonů v každém signálním systému velmi nízký (řádově jeden foton nebo méně). V tomto případě má pravděpodobnost úspěchu při detekci cíle při fixní nízké energii pozoruhodné zlepšení oproti klasickým detekčním schématům, kde se nepoužívá zapletení a signální systémy se připravují v koherentních stavech (technicky je zde zlepšení o 6 dB chybový exponent ^[3]). Klíčovým rysem kvantového osvětlení je to, že zapletení mezi napínacím systémem a odraženým signálním systémem je v procesu zcela ztraceno. Zbytkové kvantové korelace mezi těmito dvěma systémy (signál odrážející se naprázdno) však zůstávají tak silné, že je lze vytvořit pouze přítomností zapletení v počátečních systémech (signál naprázdno). Protože odražený signál je kvantově korelován se zadrženým systémem napínací kladky, lze jej rozlišit mezi všemi nekorelovanými tepelnými fotony na pozadí, které jsou rovněž přijímány detektorem. Díky tomuto kvantovému značení systémů je detekce kvantového osvětlení velmi účinná.

V roce 2015 mezinárodní spolupráci koordinoval Stefano Pirandola ^[5][6] rozšířil protokol kvantového osvětlení na mikrovlnné frekvence, čímž poskytl první teoretický prototyp kvantový radar.

Původní návrh od ^[3] byl analyzován v Bayesian nastavení testování hypotéz, ve kterých jsou hypotézám, že cíl chybí nebo je přítomen, přiřazeny předchozí pravděpodobnosti. V roce 2017 výzkumná práce^[7] analyzované kvantové osvětlení v Neyman-Pearsonově nebo asymetrickém nastavení testování hypotéz, což je nastavení zájmu o kvantový radar aplikace. Bylo zjištěno, že výkonnostní zisky kvantového osvětlení jsou ještě větší než zisky z ^[3].

V roce 2017 navrhli optimální design přijímače Quntao Zhuang, Zheshen Zhang a Jeffrey Shapiro^[8]. Kvantové osvětlení bylo také rozšířeno na scénář vyblednutí cíle^[9].

Související práce na zabezpečené komunikaci

V roce 2009 došlo k bezpečnému komunikačnímu schématu založenému na kvantovém osvětlení^[10] bylo navrženo. Toto schéma je variantou kvantových kryptografických protokolů založených na spojitých proměnných a obousměrné kvantové komunikaci zavedených Stefanem Pirandolem, Seth Lloyd a spolupracovníky^[11] v roce 2008.

Experiment

V roce 2013 Lopaeva et al. využil korelace fotonových čísel, místo zapletení, v suboptimálním experimentu detekce cíle.^[12] Pro ilustraci výhod Kvantové zapletení, v roce 2013 Zhang et al. uvedl bezpečný komunikační experiment založený na kvantovém osvětlení a poprvé prokázal, že zapletení může umožnit podstatnou výkonnostní výhodu za přítomnosti kvantová dekoherence.^[13] V roce 2015 Zhang et al. aplikoval kvantové osvětlení při snímání a ukázal, že použití zapletení může přinést vyšší odstup signálu od šumu než může poskytnout optimální klasické schéma, i když vysoce ztrátové a hlučné prostředí úplně ničí počáteční zapletení.^[14][15] Tento snímací experiment tak prokázal původní teoretické návrhy kvantového osvětlení. První experimentální snaha o provedení mikrovlnného kvantového osvětlení byla založena na použití parametrického zesilovače Josephson a digitálního přijímače^[16][17]. V roce 2019 Defienne et al. uvedla první zobrazovací systém s plným polem založený na kvantovém osvětlení, který pro zobrazování pomocí šumu používá prostorově zapletené fotonové páry ^[18].

Aplikace

Potenciální aplikace kvantového osvětlení zahrnují detekci cílů v prostředích s vysokým hlukem pozadí, ale také velmi citlivé biologické zobrazování a snímání, a bezpečná komunikace.

Hlášení médií

V populárně-vědeckých médiích se objevilo několik zpravodajských článků o kvantovém osvětlení,^[19][20] s cílem objasnit koncept kvantového osvětlení méně technicky.

Reference