Quantenkanäle in Multicore-Glasfasern

Mit dem Aufstieg der Quanten-Technologie interessieren sich immer mehr Leute dafür, wie Quantensysteme bei der Kommunikation helfen können. Wenn man versucht, einen Quantenzustand in realen Situationen zu übertragen, stört allerdings Umweltgeräusch. Das macht den Quantenkanal zu einem offenen Quantensystem, was bedeutet, dass es von seiner Umgebung beeinflusst wird. Dieser Artikel befasst sich mit hochdimensionalen offenen Quantensystemen in Multikern-Glasfasern. Er konzentriert sich darauf, wie Umweltinteraktionen als Quantenoperationen angesehen werden können, insbesondere Phasenumschaltungen zwischen Paaren von Computerzustandsbasen.

Multikern-Glasfasern bieten eine fortschrittliche Plattform für die optische Glasfaserkommunikation und sind daher für hochdimensionale Quantenkommunikation geeignet. Um diesen Kanal zu testen, führen wir eine Quantenkommunikationsaufgabe durch, genannt Prepare-and-Measure-Szenario. Die nicht-Markovianische Natur des Systems wird durch ein einzigartiges Protokoll, das Quantum Vault, demonstriert. Das Verständnis von Phasengeräuschen in Multikern-Fasern kann helfen, die Stabilität und Qualität verschiedener realer Kommunikationsmethoden zu verbessern und die Telekom-Datenraten weltweit zu steigern.

Derzeit ist die Kommunikation über Glasfasern die schnellste Methode zur Übertragung von Informationen, hauptsächlich wegen ihrer Fähigkeit, verschiedene Multiplex-Techniken zu nutzen. In grossen, realen Netzwerken sind Glasfasern jedoch oft von Umweltgeräuschen betroffen. Das kann zu Informationsverlust führen, was auf die Markov-Theorie von Geräuschprozessen zurückzuführen ist, was zu Problemen bei der Informationsübertragung führt. Die Markovianische Natur von Geräuschen hat erhebliche Auswirkungen auf Quantenkommunikationsaufgaben, die durch einen stetigen Rückgang der Kanal-Kapazitäten während der Übertragung sichtbar werden.

In letzter Zeit gab es ein wachsendes Interesse an Quanten-Dynamiken, die nicht der Markov-Hypothese folgen, bekannt als Nicht-Markovianität (NM). Das ist wichtig, denn NM könnte helfen, Quanteninformationen zu schützen und zu verarbeiten. Das Verhalten nicht-markovianischer Prozesse in Quantensystemen wurde in Experimenten mit Umwelteffekten durch verschiedene Ansätze beobachtet. Bis jetzt wurde NM hauptsächlich in Protokollen verwendet, die sich auf Verschränkung konzentrieren, und eine formale Theorie für NM als Ressource entwickelt sich noch.

Ein wichtiges Ziel ist es, NM in einem einfachen Setting zu experimentieren, ohne die Verschränkung zu berücksichtigen, was den Rahmen für seine Nutzung in Quanteninformationstasks während eines Prepare-and-Measure-Szenarios schafft. Zum Beispiel kann das Messen nicht-markovianischer Effekte durch eine gut definierte Quantenkanalkapazität NM mit der Effizienz bestimmter Quanteninformationsprotokolle verknüpfen. Das Quantum Vault (QV) ist ein Protokoll, das dazu entworfen wurde, Informationen zu speichern und abzurufen, die in einem Quantensystem kodiert sind, das sich einer nicht-markovianischen Evolution unterzieht. Die Effizienz des QV hängt mit der Tatsache zusammen, dass NM eine nicht-lineare Änderung der Kanal-Kapazitäten ermöglicht, was es einem Abhörer erschwert, Informationen zu erhalten, während sich der Prozess entwickelt.

Diese Arbeit präsentiert eine Studie und experimentelle Umsetzung einer nicht-markovianischen dynamischen Karte, die auf hochdimensionalen Qudits wirkt, die durch neu entwickelte, multikern-basierte Glasfasergeräte gesendet werden. Die Dynamik wird erreicht, indem die Wahrscheinlichkeit bestimmter Fehleroperationen angepasst wird, die dazu dienen, Bit-Flip- und Phasen-Flip-Kanäle zu verallgemeinern. Diese Plattform dient als zuverlässiger Testort, um Geräuschoperationen in hochdimensionalen offenen Quantensystemen zu untersuchen, wo die Kriterien zur Erkennung von NM durch Kanal-Kapazitäten unterschiedlich sein können.

Das Gerät kann als eine vollkommen positive Karte beschrieben werden, die aus Quantenkanälen besteht, die bestimmten stochastischen Fehleroperationen unterliegen. Ähnliche probabilistische Geräuschmodelle haben sich als erfolgreich erwiesen, um die Theorie offener Systeme zu entwickeln, während sich entwickelnde Parameter basierend auf Fehlerwahrscheinlichkeiten in experimentellen Simulationen von Umwelteffekten als nützlich erwiesen haben. Wir beobachteten einen nicht-linearen Effekt auf drei verschiedene Kapazitäten, was die Durchführung einer QV-Demonstration ermöglichte. Da dies stark von NM abhängt, deutet die Beobachtung einer QV darauf hin, dass unsere Karte einen nicht-markovianischen Prozess über einen grösseren Bereich beschreibt. Die Auswirkungen von Fehleroperationen auf spezifische Kanal-Kapazitäten, wie kohärente Informationen, könnten nützlich für Quanten-Datenversteckprotokolle und die Entwicklung von Quanten-Privatkanälen sein, was zu NM-basierten Quanteninformationsverarbeitung auf modernen Glasfaserplattformen führen könnte.

Eine Quantenkarte kann als eine Kurve im Raum der Quantenkanäle angesehen werden. Wir definieren eine No-Change-Wahrscheinlichkeit als Mass, wobei wir annehmen, dass diese Wahrscheinlichkeit am Ende der Evolution null ist, was uns zu einem spezifischen Endpunkt führt.

Als Nächstes definieren wir einen allgemeinen Quantenprozess als eine Menge von eindimensionalen dynamischen Karten. Jede Karte ist ein vollkommen positives und spurenerhaltendes (CPTP) Werkzeug zur Transformation eines Eingabedichteoperators in einen Ausgabedichteoperator. Ein Quantenprozess kann durch eine kontinuierliche Evolutionskurve im Raum der CPTP-Karten beschrieben werden. Diese Evolution wird CP-teilbar genannt, wenn sie in allen Phasen des Prozesses vollkommen positiv bleibt. Im Gegensatz dazu werden Prozesse, die diese Eigenschaft nicht aufrechterhalten, als nicht-markovianisch identifiziert.

Wir betrachten einen rauschenden Quantenprozess, in dem ein Quantensystem in einem unbekannten Zustand von einer Reihe von unitären Transformationen betroffen sein kann, die mit entsprechenden Wahrscheinlichkeiten wirken. Die Formalismus der Quantenprozesse ermöglicht es uns, eine solche dynamische Karte darzustellen. Wenn das System zu evolvieren beginnt, bleibt es im ersten Moment unverändert, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass es unverändert bleibt, gleich eins sein muss. Während es sich entwickelt, nimmt die Wahrscheinlichkeit für keinen Wechsel ab, während alle anderen Wahrscheinlichkeiten steigen. Wir verbinden diese dynamische Variable mit dem Zerfall der No-Change-Wahrscheinlichkeit.

Das spezifische Verhalten für unsere Studie tritt bei einem endlichen Wert der No-Change-Wahrscheinlichkeit auf. Daher können wir diese No-Change-Wahrscheinlichkeit als dynamischen Parameter verwenden, um den rauschenden Prozess zu skizzieren, der durch die Kurve in unserem Setup erfasst wird und ein besseres Verständnis der dynamischen Vorgänge bietet.

Diese Karte basiert auf der Operator-Summen-Darstellung für einen Quantenkanal im Kontext von Quantenoperationen und erfasst alle Umwelteinflüsse durch ein vollständiges Set von Kraus-Operatoren, die auf dem Hilbertraum des Systems wirken. Der rauschende Prozess besteht aus einer Familie von Kanälen, deren Kraus-Operatoren das Auftreten von unitären Fehleroperationen beschreiben, die das System probabilistisch beeinflussen.

In unserer Diskussion betrachten wir den Fall eines einzelnen Photons, das durch eine Multikern-Glasfaser propagiert. Das Ziel ist es, zu charakterisieren, wie jeder Photonenzustand von potenziellen Fehlern beeinflusst wird. Jede Permutation beeinflusst den Zustand unabhängig, sodass selbst wenn jede Permutation für sich genommen geräuschlos ist, das Gesamtrauschen aus ihrer probabilistischen Kombination entsteht, was die Idee von Bit-Flip- oder Phase-Flip-Kanälen von Qubit-Systemen auf höhere Dimensionen erweitert. Wir können verschiedene Szenarien untersuchen, indem wir Permutationen nur innerhalb bestimmter Teilmengen einschränken.

Wenn wir die Auswirkungen von Fehlern auf die Quanteninformationskapazitäten untersuchen, benötigen wir Masse für NM, basierend darauf, wie bestimmte Quantifizierer unter CPTP-Karten variieren. Eine Erhöhung oder Wiederbelebung dieser Grössen während der Evolution zeigt an, dass Informationen aus der Umwelt zurück ins System fliessen, was NM-Verhalten verdeutlicht.

Ein Mass von Interesse ist die Quantenkohärenz. Wenn ein System unter einer CPTP-Karte evolviert, kann seine Kohärenz nicht zunehmen. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass die Kohärenz unter einem markovianischen rauschenden Prozess stetig abnimmt. Ein geeigneter NM-Witwen ist ein Anstieg der relativen Entropie der Kohärenz (REC), die ein gültiges Mass für die Kanal-Kapazität darstellt und zeigt, wie viel Information ein Zustand übermitteln kann.

Um die Auswirkungen von NM auf Quanteninformation und Kommunikationsprotokolle zu bewerten, untersuchen wir die Evolution der Kohärenz und der gegenseitigen Information unter bestimmten Karten. Die Evolution dieser Grössen signalisiert die Anwesenheit von NM, mit Momenten, in denen die Kohärenz auf eine Weise zurückkehren kann, die von markovianischen Erwartungen abweicht.

Das Konzept des Quantum Vault kommt ins Spiel. Angenommen, jemand möchte Informationen speichern, indem er sie zu Beginn einer Multikern-Glasfaser in einem Qudit kodiert. Während des Prozesses wird die Ressource in jeder Phase durch eine bestimmte Kanal-Kapazität quantifiziert. Nachdem die Evolution abgeschlossen ist, versucht die Person, die Informationen abzurufen. Wenn ein Abhörer versucht, das System zu messen, während Informationen gespeichert werden, würde er es schwieriger finden, Informationen zu extrahieren als der ursprüngliche Sender. Diese herausfordernde Umgebung ist möglich aufgrund des nicht-linearen Verhaltens der Kanal-Kapazitäten während des Protokolls, was zu Zeiträumen führt, in denen wenig Information abgerufen werden kann.

Um dieses Protokoll zu erkunden, können wir ein Set von Pixeln in einem Bild betrachten, das mit einem Vierfarbenmodell kodiert ist. Jede Farbe kann einem Zustand eines Photons entsprechen, das in der Faser propagiert. Der Prozess ermöglicht eine visuelle Darstellung, wie gemischte Zustände mit Farbmixturen zusammenhängen. Während sich das System entwickelt, verringert sich die Unterscheidbarkeit zwischen verschiedenen Zustands-Paaren in der Basis, was die Information unleserlich macht. Durch nicht-markovianische Dynamiken in späteren Evolutionsphasen wird jedoch die Information wieder abrufbar, wodurch das ursprüngliche Bild klar wird.

Ein Experiment wird mit einer ausgeklügelten Maschine eingerichtet, die den Qudit-Zustand vorbereitet und eine probabilistische dynamische Karte darauf anwendet. Das Experiment umfasst drei Hauptphasen: den Zustand vorzubereiten, die Karte anzuwenden und den quantenmechanischen Zustand zu charakterisieren.

Wir nutzen einen Laser, um Lichtpulse zu erzeugen. Dieses Licht reist durch Fasern, die die Erzeugung einzelner Photonenzustände ermöglichen. Das System sendet dann dieses Licht durch eine MCF, um einen Überlagerungszustand zu erzeugen und verschiedene Phasenvorfälle einzuführen. Ein Phasenstabilisierungsprozess wird angewendet, um Fehler zu minimieren, und dann wird die dynamische Karte durch Anwendung unitärer Transformationen auf den Zustand ausgeführt.

Der Abschluss des Experiments umfasst die Verwendung einer Zustands-Tomographie, um den finalen Quantenzustand zu bilden, was es uns ermöglicht, die Kanal-Kapazität zu bewerten. Wir wiederholen diese Operationen mehrmals, um genügend Daten zu sammeln. Die experimentellen Ergebnisse stimmen grösstenteils mit den theoretischen Vorhersagen überein und zeigen eine Wiederbelebung in einer Kanal-Kapazität, die das nicht-markovianische Verhalten verdeutlicht.

Am Ende des Prozesses wenden wir das Quantum Vault-Protokoll an, um eine Reihe von Qudits vorzubereiten. Die Ausgangsbilder werden mit den theoretischen Vorhersagen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass, wenn die kodierten Informationen nicht abgerufen werden können, dies mit einem Minimum in der während der quantenmechanischen Evolution beobachteten Kapazität übereinstimmt. Mit der Zeit wird die Nachricht erneut lesbar, was einen effektiven Informationsrückfluss zeigt.

Die Simulation offener Systemdynamiken ist entscheidend, aber der Benutzer, der aktiv Operationen durchführt, erleichtert kontrollierte nicht-markovianische Verhaltensweisen. Dieses Setup führt zu sicheren Methoden, um Informationen zu verbergen. Durch die Anwendung von Einheiten, die bestimmten Wahrscheinlichkeiten entsprechen, hat der Abhörer Schwierigkeiten, nützliche Einblicke zu gewinnen. Nur diejenigen, die Zugang zu einem klassischen Protokoll der Einheiten haben, können Informationen nach der Quanten-Evolution wiederherstellen.

Die Untersuchung offener Quantensysteme und Nicht-Markovianität bleibt bedeutend, da sie potenzielle Lösungen für zuverlässige Quantenkommunikation bietet, sowohl für reale Anwendungen als auch für die Anwendung in Quanteninformationen.

Letztendlich haben Multikern-Glasfasern grosses Potenzial, nicht-markovianische Karten durch die sorgfältige Anwendung von Fehleroperationen zu nutzen. Zu verstehen, wie Rauschen offene Systeme beeinflusst, könnte die Entwicklung von geräuschreduzierenden Techniken in Kommunikationsnetzwerken ermöglichen. Die Erkenntnisse aus diesen Karten können robustere Kanäle für die Übertragung von Informationen schaffen und so eine grössere Zuverlässigkeit in der Hochgeschwindigkeitskommunikation gewährleisten.

Während sich die Quanten-Technologien weiterentwickeln, wird erwartet, dass die Forschung im Bereich offener Quantensysteme zu neuen Anwendungen und Protokollen führt, die Daten sicherer machen, die Kommunikationseffizienz verbessern und die Gesamteffektivität von Quanteninformationssystemen in unterschiedlichen Kontexten steigern.