Canali quantistici nelle fibre ottiche multifibra

Con l'aumento della tecnologia quantistica, sempre più persone sono interessate a come i sistemi quantistici possano aiutare nella comunicazione. Tuttavia, quando si cerca di trasmettere uno stato quantistico nella vita reale, il rumore ambientale si interpone. Questo rende il canale quantistico un sistema quantistico aperto, il che significa che è influenzato da ciò che lo circonda. Questo articolo esplora i sistemi quantistici aperti ad alta dimensione all'interno delle Fibre Ottiche Multicore. Si concentra su come le interazioni ambientali possano essere viste come operazioni quantistiche, in particolare flip di fase tra coppie di basi di stato computerizzato.

Le fibre ottiche multicore offrono una piattaforma avanzata per la comunicazione tramite fibre ottiche, rendendole adatte per la comunicazione quantistica ad alta dimensione. Per testare questo canale, svolgiamo un compito di comunicazione quantistica, chiamato scenario prepare-and-measure. La natura non-Markoviana del sistema è dimostrata utilizzando un protocollo unico noto come Quantum Vault. Comprendere il rumore di fase nelle fibre multicore può aiutare a migliorare la stabilità e la qualità di vari metodi di comunicazione del mondo reale, contribuendo ad aumentare le velocità dei dati delle telecomunicazioni a livello globale.

Attualmente, la comunicazione tramite fibre ottiche è il metodo più veloce per trasmettere informazioni, principalmente grazie alla loro capacità di utilizzare varie tecniche di multiplexing. Tuttavia, nelle reti reali su larga scala, le fibre ottiche sono spesso influenzate da rumore ambientale. Questo può causare perdita di informazione, derivante dalla teoria Markoviana dei processi di rumore, portando a problemi nella trasmissione delle informazioni. La natura Markoviana del rumore ha effetti significativi sui compiti di comunicazione quantistica, osservabili attraverso un costante calo delle Capacità del Canale durante la trasmissione.

Recentemente, c'è stato un crescente interesse per la dinamica quantistica che non segue l'ipotesi Markoviana, nota come Non-Markovianità (NM). Questo è importante perché NM potrebbe aiutare a proteggere e processare informazioni quantistiche. Il comportamento dei processi non-Markoviani nei sistemi quantistici è stato osservato in esperimenti che coinvolgono effetti ambientali attraverso diversi approcci. Fino ad ora, NM è stata principalmente applicata in protocolli incentrati sull'intreccio, e una teoria formale per NM come risorsa è ancora in fase di sviluppo.

Un obiettivo chiave è sperimentare con NM in un contesto semplice senza considerare l'intreccio, preparando il terreno per il suo utilizzo in compiti di informazione quantistica durante uno scenario prepare-and-measure. Ad esempio, misurare gli effetti non-Markoviani attraverso una capacità del canale quantistico ben definita può collegare NM con l'efficienza di specifici protocolli di informazione quantistica. Il Quantum Vault (QV) è un protocollo progettato per memorizzare e recuperare informazioni codificate in un sistema quantistico sottoposto a evoluzione non-Markoviana. L'efficienza del QV è legata al fatto che NM consente un cambiamento non lineare nelle capacità del canale, rendendo più difficile per un'intercettatore ottenere informazioni mentre il processo evolve.

Questo lavoro presenta uno studio e un'implementazione sperimentale di una mappa dinamica NM che agisce su qudits ad alta dimensione inviati attraverso dispositivi in fibra multicore recentemente sviluppati. La dinamica è ottenuta regolando la probabilità di certe operazioni di errore destinate a generalizzare i canali di flip di bit e di flip di fase. Questa piattaforma funge da sito di test affidabile per studiare operazioni di rumore in sistemi quantistici aperti ad alta dimensione, dove i criteri per rilevare NM attraverso le capacità del canale possono differire.

Il dispositivo può essere descritto come una mappa completamente positiva composta da canali quantistici, che subisce determinate operazioni di errore stocastiche. Modelli di rumore probabilistici simili hanno mostrato successo nello sviluppo della teoria dei sistemi aperti, mentre parametri in evoluzione basati su probabilità di errore sono stati utili nelle simulazioni sperimentali degli effetti ambientali. Abbiamo osservato un effetto non lineare su tre diverse capacità, consentendo la realizzazione di una dimostrazione del QV. Poiché questo dipende fortemente da NM, osservare un QV indica che la nostra mappa descrive un processo non-Markoviano su un ampio intervallo. Gli impatti delle operazioni di errore su specifiche capacità del canale, come l'informazione coerente, potrebbero essere utili per protocolli di occultamento dei dati quantistici e lo sviluppo di canali privati quantistici, che potrebbero portare a un'elaborazione di informazioni quantistiche basata su NM su piattaforme moderne di fibra ottica.

Una mappa quantistica può essere vista come una curva nello spazio dei canali quantistici. Definiamo una probabilità di nessun cambiamento come una misura, assumendo che questa probabilità sia zero alla fine dell'evoluzione, il che ci porta a un punto finale specifico.

Successivamente, definiamo un processo quantistico generale come un insieme di mappe dinamiche a un parametro. Ogni mappa è uno strumento completamente positivo e che conserva la traccia (CPTP) per trasformare un operatore di densità di input in un operatore di densità di output. Un processo quantistico può essere descritto da una curva di evoluzione continua nello spazio delle mappe CPTP. Questa evoluzione è chiamata CP-divisibile se rimane completamente positiva in tutte le fasi del processo. Al contrario, i processi che non mantengono questa proprietà sono identificati come non-Markoviani.

Consideriamo un processo quantistico rumoroso in cui un sistema quantistico in uno stato sconosciuto può essere influenzato da una gamma di trasformazioni unitarie che agiscono con probabilità corrispondenti. Il formalismo dei Processi Quantistici ci consente di rappresentare tale mappa dinamica. Quando il sistema inizia a evolversi, rimane invariato per il momento iniziale, quindi la probabilità di rimanere invariato deve essere uguale a uno. Man mano che evolve, la probabilità di nessun cambiamento diminuisce mentre tutte le altre probabilità crescono. Colleghiamo questa variabile dinamica con il decadimento della probabilità di nessun cambiamento.

Il comportamento particolare per il nostro studio si verifica a un valore finito della probabilità di nessun cambiamento. Pertanto, possiamo utilizzare questa probabilità di nessun cambiamento come un parametro dinamico per delineare il processo rumoroso, che è catturato dalla curva nel nostro setup, fornendo una migliore comprensione delle dinamiche in gioco.

Questa mappa si basa sulla rappresentazione operatore-somma per un canale quantistico nel contesto delle operazioni quantistiche, catturando tutti gli effetti ambientali attraverso un insieme completo di operatori di Kraus che agiscono nello spazio di Hilbert del sistema. Il processo rumoroso comprende una famiglia di canali i cui operatori di Kraus descrivono l'occorrenza di operazioni di errore unitarie che influenzano il sistema probabilisticamente.

Nella nostra discussione, esaminiamo il caso di un singolo fotone che si propaga attraverso una fibra ottica multicore. L'obiettivo è caratterizzare come ciascuno stato di fotone sia influenzato da potenziali errori. Ogni permutazione influisce sullo stato in modo indipendente, quindi anche se ogni permutazione da sola è senza rumore, il rumore complessivo deriva dalla loro combinazione probabilistica, estendendo l'idea dei canali di flip di bit o di flip di fase dai sistemi qubit a dimensioni superiori. Possiamo indagare diversi scenari limitando le permutazioni solo all'interno di determinati sottoinsiemi.

Mentre esploriamo gli effetti degli errori sulle capacità di informazione quantistica, abbiamo bisogno di misure di NM basate su come certi quantificatori cambiano sotto le mappe CPTP. Un aumento o un recupero di queste quantità durante l'evoluzione indica un ritorno di informazioni dall'ambiente al sistema, evidenziando il comportamento NM.

Una misura di interesse è la coerenza quantistica. Se un sistema evolve sotto una mappa CPTP, la sua coerenza non può aumentare. Al contrario, la coerenza è prevista a decadere costantemente sotto un processo rumoroso Markoviano. Un test NM adeguato è un aumento dell'entropia relativa di coerenza (REC), che è una misura valida della capacità del canale che evidenzia quanto informazioni uno stato possa trasmettere.

Per valutare gli impatti di NM sui protocolli di informazione e comunicazione quantistica, studiamo l'evoluzione della coerenza e dell'informazione mutua sotto mappe specifiche. L'evoluzione di queste quantità segnala la presenza di NM, con momenti in cui la coerenza può recuperare in modi che si discostano dalle aspettative Markoviane.

Il concetto di Quantum Vault entra in gioco. Supponiamo che qualcuno voglia memorizzare informazioni codificandole in un qudit all'inizio di una fibra multicore. Durante il processo, la risorsa a ogni fase è quantificata da una certa capacità di canale. Dopo che l'evoluzione è terminata, la persona cerca di recuperare le informazioni. Se un'intercettatore tenta di misurare il sistema mentre memorizza informazioni, troverebbe più difficile estrarre informazioni rispetto al mittente originale. Questo ambiente difficile è possibile grazie al comportamento non lineare delle capacità del canale durante il protocollo, portando a intervalli in cui poco può essere recuperato.

Per esplorare questo protocollo, possiamo considerare un insieme di pixel in un'immagine codificata utilizzando un modello a quattro colori. Ogni colore può corrispondere a uno stato di un fotone che si propaga nella fibra. Il processo consente una rappresentazione visiva di come gli stati misti si relazionano alle miscele di colore. Man mano che il sistema evolve, la distinguibilità tra diverse coppie di stato nella base diminuisce, causando la lettura delle informazioni. Tuttavia, attraverso le dinamiche non-Markoviane nelle fasi successive dell'evoluzione, le informazioni diventano di nuovo recuperabili, rendendo l'immagine iniziale chiara.

Un esperimento viene impostato utilizzando una macchina sofisticata che prepara lo stato di qudit e applica una mappa dinamica probabilistica su di esso. L'esperimento include tre fasi principali: preparare lo stato, applicare la mappa e caratterizzare lo stato quantistico.

Utilizziamo un laser per generare impulsi di luce. Questa luce viaggia attraverso fibre che consentono la generazione di stati di fotoni singoli. Il sistema poi invia questa luce attraverso un MCF per creare uno stato di sovrapposizione e introdurre vari drift di fase. Un processo di stabilizzazione della fase viene applicato per ridurre gli errori, e poi la mappa dinamica viene eseguita applicando trasformazioni unitarie allo stato.

Il completamento dell'esperimento implica utilizzare una tomografia di stato per formare lo stato quantistico finale, permettendoci di valutare la capacità del canale. Ripetiamo queste operazioni molte volte per raccogliere dati sufficienti. I risultati sperimentali si allineano per lo più con le previsioni teoriche, dimostrando un recupero in una capacità del canale che evidenzia il comportamento non-Markoviano.

Alla fine del processo, applichiamo il protocollo Quantum Vault per preparare una serie di qudits. Le immagini di output vengono confrontate con le previsioni teoriche. I risultati mostrano che quando le informazioni codificate non possono essere recuperate, si allineano con un minimo di capacità osservato durante l'evoluzione quantistica. Con il passare del tempo, il messaggio diventa di nuovo leggibile, mostrando un efficace flusso di informazioni all'indietro.

Simulare le dinamiche dei sistemi aperti è fondamentale, ma l'utente che esegue attivamente operazioni facilita comportamenti non-Markoviani controllati. Questa configurazione porta a metodi sicuri di occultamento delle informazioni. Applicando unità corrispondenti a probabilità specifiche, l'intercettatore fatica a ottenere informazioni utili. Solo chi ha accesso a un record classico delle unità può recuperare informazioni dopo l'evoluzione quantistica.

Lo studio dei sistemi quantistici aperti e della non-Markovianità rimane significativo poiché fornisce potenziali soluzioni per comunicazioni quantistiche affidabili, comprendendo sia applicazioni reali che applicazioni in informatica quantistica.

In definitiva, le fibre ottiche multicore hanno un grande potenziale per impiegare mappe non-Markoviane attraverso l'applicazione attenta di operazioni di errore. Comprendere come il rumore influisca sui sistemi aperti potrebbe consentire lo sviluppo di tecniche di riduzione del rumore nelle reti di comunicazione. Le intuizioni derivate da queste mappe possono creare canali più robusti per la trasmissione di informazioni, garantendo una maggiore affidabilità nelle comunicazioni ad alta velocità.

Con il continuo avanzamento della tecnologia quantistica, si prevede che la ricerca nel campo dei sistemi quantistici aperti porti a nuove applicazioni e protocolli che migliorano la sicurezza dei dati, l'efficienza della comunicazione e l'efficacia complessiva dei sistemi di informazione quantistica in contesti variabili.