Canais Quânticos em Fibras Ópticas Multinúcleo

Com o avanço da tecnologia quântica, mais gente tá interessada em como sistemas quânticos podem ajudar na comunicação. Mas, quando tenta passar um estado quântico em situações reais, o barulho do ambiente atrapalha. Isso faz com que o canal quântico seja um sistema quântico aberto, ou seja, ele é afetado pelo que tá ao redor. Este artigo investiga sistemas quânticos abertos de alta dimensão dentro de Fibras Ópticas Multicore. Foca em como as interações ambientais podem ser vistas como operações quânticas, especificamente mudanças de fase entre pares de bases de estado de computador.

As fibras ópticas multicore oferecem uma plataforma avançada para comunicação por fibra óptica, tornando-as adequadas para comunicação quântica de alta dimensão. Para testar esse canal, realizamos uma tarefa de comunicação quântica, chamada de cenário de preparar e medir. A natureza não-Markoviana do sistema é demonstrada usando um protocolo único conhecido como Quantum Vault. Compreender o ruído de fase em fibras multicore pode ajudar a melhorar a estabilidade e a qualidade de vários métodos de comunicação do mundo real, ajudando a aumentar as taxas de dados de telecomunicações globalmente.

Atualmente, a comunicação por fibras ópticas é o método mais rápido para transmitir informações, principalmente por causa da capacidade de usar várias técnicas de multiplexação. No entanto, em redes grandes do mundo real, as fibras ópticas costumam ser afetadas pelo ruído ambiental. Isso pode causar perda de informação, que vem da teoria Markoviana de processos de ruído, levando a problemas na transmissão de informação. A natureza Markoviana do ruído tem grandes efeitos nas tarefas de comunicação quântica, observáveis através de um declínio constante nas capacidades do canal durante a transmissão.

Recentemente, tem havido um interesse crescente em dinâmicas quânticas que não seguem a hipótese de Markov, conhecidas como Não-Markovianidade (NM). Isso é importante porque NM pode ajudar a proteger e processar informações quânticas. O comportamento de processos não-Markovianos em sistemas quânticos foi observado em experimentos envolvendo efeitos ambientais através de diferentes abordagens. Até agora, NM foi aplicado principalmente em protocolos focados em emaranhamento, e uma teoria formal para NM como um recurso ainda está em desenvolvimento.

Um objetivo chave é experimentar NM em um cenário simples sem considerar o emaranhamento, preparando o terreno para seu uso em tarefas de informação quântica durante um cenário de preparar e medir. Por exemplo, medir os efeitos não-Markovianos através de uma capacidade de canal quântico bem definida pode conectar NM com a eficiência de protocolos de informação quântica específicos. O Quantum Vault (QV) é um protocolo projetado para armazenar e recuperar informações codificadas em um sistema quântico que passa por evolução não-Markoviana. A eficiência do QV está ligada ao fato de que NM permite uma mudança não-linear nas capacidades do canal, dificultando para um espião obter informações à medida que o processo evolui.

Este trabalho apresenta um estudo e implementação experimental de um mapa dinâmico NM atuando em qudits de alta dimensão enviados através de dispositivos baseados em fibra multicore recém-desenvolvidos. A dinâmica é alcançada ajustando a probabilidade de certas operações de erro destinadas a generalizar canais de inversão de bit e inversão de fase. Esta plataforma serve como um local de teste confiável para estudar operações de ruído em sistemas quânticos abertos de alta dimensão, onde os critérios para detectar NM através das capacidades do canal podem diferir.

O dispositivo pode ser descrito como um mapa completamente positivo composto de canais quânticos, que passam por certas operações estocásticas de erro. Modelos de ruído probabilísticos semelhantes têm mostrado sucesso no desenvolvimento da teoria de sistemas abertos, enquanto parâmetros em evolução baseados em probabilidades de erro têm sido benéficos em simulações experimentais de efeitos ambientais. Observamos um efeito não-linear em três capacidades diferentes, permitindo a realização de uma demonstração do QV. Sendo isso fortemente dependente de NM, observar um QV indica que nosso mapa descreve um processo não-Markoviano ao longo de uma faixa extensa. Os impactos das operações de erro em capacidades de canal específicas, como informação coerente, podem ser úteis para protocolos de ocultação de dados quânticos e para o desenvolvimento de canais quânticos privados, que podem levar a um processamento de informação quântica baseado em NM em plataformas modernas de fibra óptica.

Um mapa quântico pode ser visto como uma curva no espaço dos canais quânticos. Definimos uma probabilidade de sem mudança como uma medida, assumindo que essa probabilidade é zero no final da evolução, o que nos leva a um ponto final específico.

Em seguida, definimos um processo quântico geral como um conjunto de mapas dinâmicos de um parâmetro. Cada mapa é uma ferramenta completamente positiva e preservadora de traço (CPTP) para transformar um operador de densidade de entrada em um operador de densidade de saída. Um processo quântico pode ser descrito por uma curva de evolução contínua no espaço dos mapas CPTP. Essa evolução é chamada de CP-divisível se permanecer completamente positiva em todas as etapas do processo. Em contraste, processos que não mantêm essa propriedade são identificados como não-Markovianos.

Consideramos um processo quântico ruidoso em que um sistema quântico em um estado desconhecido pode ser afetado por uma gama de transformações unitárias atuando com probabilidades correspondentes. O formalismo de Processos Quânticos nos permite representar tal mapa dinâmico. Quando o sistema começa a evoluir, ele permanece inalterado no momento inicial, então a probabilidade de continuar inalterado deve ser igual a um. À medida que evolui, a probabilidade de sem mudança diminui enquanto todas as outras probabilidades aumentam. Conectamos essa variável dinâmica com o decaimento da probabilidade de sem mudança.

O comportamento particular para nosso estudo ocorre em um valor finito da probabilidade de sem mudança. Assim, podemos usar essa probabilidade como um parâmetro dinâmico para delinear o processo ruidoso, que é capturado pela curva em nosso setup, proporcionando uma melhor compreensão da dinâmica em jogo.

Esse mapa depende da representação de soma de operadores para um canal quântico no contexto de operações quânticas, capturando todos os efeitos ambientais através de um conjunto completo de operadores de Kraus atuando no espaço de Hilbert do sistema. O processo ruidoso é composto por uma família de canais cujos operadores de Kraus descrevem a ocorrência de operações de erro unitárias afetando o sistema probabilisticamente.

Na nossa discussão, analisamos o caso de um único fóton que propaga através de uma fibra óptica multicore. O objetivo é caracterizar como cada estado de fóton é influenciado por possíveis erros. Cada permutação impacta o estado de forma independente, então mesmo que cada permutação sozinha seja sem ruído, o ruído geral surge de sua combinação probabilística, ampliando a ideia de canais de inversão de bit ou de fase de sistemas de qubits para dimensões superiores. Podemos investigar diferentes cenários restringindo permutações apenas dentro de certos subconjuntos.

À medida que exploramos os efeitos dos erros nas capacidades de informação quântica, precisamos de medidas de NM baseadas em como certos quantificadores mudam sob mapas CPTP. Um aumento ou renascimento dessas quantidades durante a evolução indica um retorno da informação do ambiente para o sistema, mostrando comportamento NM.

Uma medida de interesse é a coerência quântica. Se um sistema evolui sob um mapa CPTP, sua coerência não pode aumentar. Por outro lado, a coerência deve decair de forma constante sob um processo de ruído Markoviano. Uma testemunha NM adequada é um aumento na entropia relativa de coerência (REC), que é uma medida válida da Capacidade do Canal que destaca quanta informação um estado pode transmitir.

Para avaliar os impactos da NM em protocolos de informação e comunicação quântica, estudamos a evolução da coerência e da informação mútua sob mapas específicos. A evolução dessas quantidades sinaliza a presença de NM, com momentos em que a coerência pode se recuperar de maneiras que se desviam das expectativas Markovianas.

O conceito do Quantum Vault entra em cena. Suponha que alguém queira armazenar informações codificando-as em um qudit no início de uma fibra multicore. Ao longo do processo, o recurso em cada etapa é quantificado por uma capacidade de canal. Após a evolução terminar, a pessoa tenta recuperar a informação. Se um espião tentar medir o sistema enquanto armazena informações, ele achará mais difícil extrair informações em comparação com o remetente original. Esse ambiente desafiador é possível devido ao comportamento não-linear das capacidades do canal ao longo do protocolo, levando a intervalos onde poucas informações podem ser recuperadas.

Para explorar esse protocolo, podemos considerar um conjunto de pixels em uma imagem codificados usando um modelo de quatro cores. Cada cor pode corresponder a um estado de um fóton propagando na fibra. O processo permite uma representação visual de como estados mistos se relacionam a misturas de cores. À medida que o sistema evolui, a distinguibilidade entre diferentes pares de estados na base diminui, fazendo com que a informação se torne ilegível. Através da dinâmica não-Markoviana nas fases finais da evolução, no entanto, a informação se torna recuperável novamente, tornando a imagem inicial clara.

Um experimento é montado usando uma máquina sofisticada que prepara o estado do qudit e aplica um mapa dinâmico probabilístico nele. O experimento inclui três fases principais: preparar o estado, aplicar o mapa e caracterizar o estado quântico.

Usamos um laser para gerar pulsos de luz. Essa luz viaja através de fibras que permitem a geração de estados de fótons únicos. O sistema então envia essa luz através de um MCF para criar um estado de superposição e introduzir vários desvios de fase. Um processo de estabilização de fase é aplicado para reduzir erros, e então o mapa dinâmico é executado aplicando transformações unitárias ao estado.

A conclusão do experimento envolve o uso de uma tomografia de estado para formar o estado quântico final, permitindo avaliar a capacidade do canal. Repetimos essas operações várias vezes para reunir dados suficientes. Os resultados experimentais se alinham principalmente com as previsões teóricas, demonstrando um renascimento em uma capacidade de canal que destaca o comportamento não-Markoviano.

Ao final do processo, aplicamos o protocolo Quantum Vault para preparar uma série de qudits. As imagens de saída são comparadas com previsões teóricas. Os resultados mostram que, quando a informação codificada não pode ser recuperada, isso se alinha com um mínimo na capacidade observado durante a evolução quântica. À medida que o tempo avança, a mensagem se torna legível novamente, mostrando um retorno eficaz da informação.

Simular dinâmicas de sistemas abertos é crucial, mas o usuário que realiza operações ativamente facilita comportamentos não-Markovianos controlados. Essa configuração leva a métodos seguros de ocultar informações. Aplicando unidades correspondentes a probabilidades específicas, o espião tem dificuldades para obter insights úteis. Apenas aqueles com acesso a um registro clássico das unidades podem recuperar informações após a evolução quântica.

O estudo de sistemas quânticos abertos e não-Markovianidade continua significativo, pois oferece soluções potenciais para comunicação quântica confiável, abrangendo tanto aplicações do mundo real quanto aplicações em informação quântica.

No fim das contas, as fibras ópticas multicore têm um grande potencial para empregar mapas não-Markovianos através da aplicação cuidadosa de operações de erro. Compreender como o ruído impacta sistemas abertos poderia permitir o desenvolvimento de técnicas de redução de ruído em redes de comunicação. As percepções derivadas desses mapas podem criar canais mais robustos para transmissão de informações, garantindo maior confiabilidade em comunicações de alta velocidade.

À medida que a tecnologia quântica continua avançando, espera-se que a pesquisa na área de sistemas quânticos abertos leve a novas aplicações e protocolos que melhorem a segurança de dados, a eficiência da comunicação e a eficácia geral dos sistemas de informação quântica em contextos variados.