La iluminación cuántica es un paradigma para la detección de objetivos que emplea el entrelazamiento cuántico entre un modo electromagnético de señal y un modo electromagnético inactivo, así como la medición conjunta de estos modos. El modo de señal se propaga hacia una región del espacio y se pierde o se refleja, dependiendo de si un objetivo está presente o ausente, respectivamente. En principio, la iluminación cuántica puede ser beneficiosa incluso si el entrelazamiento original es completamente destruido por un entorno ruidoso y con pérdidas.
Introducción
Muchas aplicaciones de información cuántica , como la teletransportación cuántica , [1] la corrección de errores cuánticos y la codificación superdensa , se basan en el entrelazamiento. Sin embargo, el entrelazamiento es una propiedad cuántica frágil entre partículas y puede destruirse fácilmente por la pérdida y el ruido que surgen de la interacción con el medio ambiente, lo que lleva a la decoherencia cuántica . Por lo tanto, el enredo se considera muy difícil de usar en entornos ruidosos y con pérdidas.
Lloyd, Shapiro y colaboradores demostraron que aunque el entrelazamiento en sí puede no sobrevivir, la correlación residual entre los dos sistemas inicialmente entrelazados sigue siendo mucho más alta de lo que pueden proporcionar los estados clásicos iniciales. Esto implica que el uso del entrelazamiento no debe descartarse en escenarios que rompan el entrelazamiento.
La iluminación cuántica aprovecha estas correlaciones residuales más fuertes que las clásicas entre dos sistemas para lograr una mejora del rendimiento en todos los esquemas basados en la transmisión de estados clásicos con niveles de potencia comparables. La iluminación cuántica es particularmente útil en situaciones extremadamente ruidosas y con pérdidas.
Historia
Teoría
El concepto de iluminación cuántica fue introducido por primera vez por Seth Lloyd y colaboradores en el MIT en 2008. [2] [3] Una propuesta teórica para la iluminación cuántica usando estados gaussianos [4] fue propuesta por Jeffrey Shapiro y colaboradores. [3]
La configuración básica de la iluminación cuántica es la detección de objetivos. Aquí el remitente prepara dos sistemas entrelazados, llamados señal y ralentí. El inactivo se retiene mientras se envía la señal para sondear la presencia de un objeto de baja reflectividad en una región con ruido de fondo brillante. El reflejo del objeto luego se combina con el sistema inactivo retenido en una medición cuántica conjunta que proporciona dos resultados posibles: objeto presente o objeto ausente. Más precisamente, el proceso de sondeo se repite muchas veces de modo que se recopilan muchos pares de sistemas de señal inactiva en el receptor para la detección cuántica conjunta.
La ventaja del esquema es evidente a bajas energías donde el número medio de fotones en cada sistema de señal es muy bajo (del orden de un fotón o menos). En este caso, a baja energía fija, la probabilidad de éxito en la detección de un objetivo tiene una mejora notable con respecto a los esquemas de detección clásicos, donde no se utiliza el entrelazamiento y los sistemas de señal se preparan en estados coherentes (técnicamente, hay una mejora de 6 dB en el exponente de error [3] ). Una característica clave de la iluminación cuántica es que el entrelazamiento entre el sistema loco y el sistema de señal reflejada se pierde por completo en el proceso. Sin embargo, las correlaciones cuánticas residuales entre estos dos sistemas (señal inactiva reflejada) siguen siendo tan fuertes que solo podrían crearse por la presencia de entrelazamiento en los sistemas iniciales (señal inactiva). Debido a que la señal reflejada está correlacionada cuánticamente con el sistema inactivo retenido, se puede distinguir entre todos los fotones térmicos de fondo no correlacionados que también son recibidos por el detector. Debido a este etiquetado cuántico de los sistemas, la detección de iluminación cuántica es muy eficiente.
En 2015, una colaboración internacional coordinada por Stefano Pirandola [5] [6] extendió el protocolo de iluminación cuántica a las frecuencias de microondas, proporcionando así el primer prototipo teórico de radar cuántico .
La propuesta original de [3] se analizó en el entorno bayesiano de prueba de hipótesis , en el que se asignan probabilidades previas a las hipótesis de que el objetivo está ausente o presente. En 2017, un artículo de investigación [7] analizó la iluminación cuántica en el entorno Neyman-Pearson o asimétrico de prueba de hipótesis, que es un entorno de interés en las aplicaciones de radar cuántico . Se encontró que las ganancias de rendimiento de la iluminación cuántica son incluso mayores que las de. [3]
En 2017, Quntao Zhuang, Zheshen Zhang y Jeffrey Shapiro propusieron un diseño de receptor óptimo . [8] La iluminación cuántica también se ha extendido al escenario de desvanecimiento del objetivo . [9]
Trabajo relacionado sobre comunicación segura
En 2009, se propuso un esquema de comunicación seguro basado en iluminación cuántica [10] . Este esquema es una variante de los protocolos criptográficos cuánticos basados en variables continuas y comunicación cuántica bidireccional introducidos por Stefano Pirandola, Seth Lloyd y colaboradores [11] en 2008.
Experimentar
En 2013, Lopaeva et al. explotó las correlaciones del número de fotones, en lugar de entrelazamiento, en un experimento de detección de objetivos subóptimo. [12] Para ilustrar el beneficio del entrelazamiento cuántico , en 2013 Zhang et al. informó sobre un experimento de comunicación segura basado en iluminación cuántica y demostró por primera vez que el entrelazamiento puede permitir una ventaja sustancial en el rendimiento en presencia de decoherencia cuántica . [13] En 2015, Zhang et al. aplicó iluminación cuántica en la detección y demostró que el empleo de entrelazado puede producir una relación señal / ruido más alta que la que puede proporcionar el esquema clásico óptimo, aunque el entorno con muchas pérdidas y ruido destruye por completo el entrelazamiento inicial. [14] [15] Este experimento de detección demostró así las propuestas teóricas originales de la iluminación cuántica. El primer esfuerzo experimental para realizar iluminación cuántica de microondas se basó en el uso de un amplificador paramétrico Josephson y un receptor digital. [16] [17] En 2019, Defienne et al. informó sobre el primer sistema de imágenes de campo completo basado en iluminación cuántica que utiliza pares de fotones entrelazados espacialmente para obtener imágenes a través del ruido. [18]
Aplicaciones
Las aplicaciones potenciales de la iluminación cuántica incluyen la detección de objetivos en entornos de alto ruido de fondo, pero también imágenes y sensores biológicos ultrasensibles y comunicación segura .
Informes de los medios
Varios artículos de noticias sobre iluminación cuántica han aparecido en medios de divulgación científica, [19] [20] con el objetivo de dilucidar el concepto de iluminación cuántica en términos menos técnicos.
Referencias
- ^ Bennett, Charles H .; Brassard, Gilles ; Crépeau, Claude ; Jozsa, Richard ; Peres, Asher ; Wootters, William K. (29 de marzo de 1993). "Teletransportación de un estado cuántico desconocido a través de canales clásicos duales y Einstein-Podolsky-Rosen" . Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 70 (13): 1895–1899. Código Bibliográfico : 1993PhRvL..70.1895B . CiteSeerX 10.1.1.46.9405 . doi : 10.1103 / physrevlett.70.1895 . ISSN 0031-9007 . PMID 10053414 .
- ^ Lloyd, Seth (12 de septiembre de 2008). "Sensibilidad mejorada de la fotodetección a través de la iluminación cuántica". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 321 (5895): 1463–1465. Código Bibliográfico : 2008Sci ... 321.1463L . doi : 10.1126 / science.1160627 . ISSN 0036-8075 . PMID 18787162 .
- ^ a b c d e Tan, Si-Hui; Erkmen, Baris I .; Giovannetti, Vittorio; Guha, Saikat; Lloyd, Seth ; Maccone, Lorenzo; Pirandola, Stefano; Shapiro, Jeffrey H. (18 de diciembre de 2008). "Iluminación cuántica con estados gaussianos". Cartas de revisión física . 101 (25): 253601. arXiv : 0810.0534 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.101y3601T . doi : 10.1103 / physrevlett.101.253601 . ISSN 0031-9007 . PMID 19113706 .
- ^ Weedbrook, Christian; Pirandola, Stefano; García-Patrón, Raúl; Cerf, Nicolas J .; Ralph, Timothy C .; Shapiro, Jeffrey H .; Lloyd, Seth (1 de mayo de 2012). "Información cuántica gaussiana". Reseñas de Física Moderna . 84 (2): 621–669. arXiv : 1110.3234 . Código Bibliográfico : 2012RvMP ... 84..621W . doi : 10.1103 / revmodphys.84.621 . ISSN 0034-6861 .
- ^ Barzanjeh, Shabir; Guha, Saikat; Weedbrook, Christian; Vitali, David; Shapiro, Jeffrey H .; Pirandola, Stefano (27 de febrero de 2015). "Iluminación cuántica de microondas". Cartas de revisión física . 114 (8): 080503. arXiv : 1503.00189 . Código Bibliográfico : 2015PhRvL.114h0503B . doi : 10.1103 / physrevlett.114.080503 . ISSN 0031-9007 . PMID 25768743 .
- ^ La mecánica cuántica podría mejorar el radar , Física 8 , 18 (2015) ( [1] )
- ^ Wilde, Mark M .; Tomamichel, Marco; Berta, Mario; Lloyd, Seth. "Prueba de hipótesis gaussiana e iluminación cuántica". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 119 (12): 120501. arXiv : 1608.06991 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.119.120501 .
- ^ Zhuang, Quntao; Zhang, Zheshen; Shapiro, Jeffrey H. (27 de enero de 2017). "Discriminación óptima de estado mixto para detección mejorada de enredos ruidosos". Cartas de revisión física . 118 (4): 040801. arXiv : 1609.01968 . Código bibliográfico : 2017PhRvL.118d0801Z . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.040801 . PMID 28186814 .
- ^ Zhuang, Quntao; Zhang, Zheshen; Shapiro, Jeffrey H. (15 de agosto de 2017). "Iluminación cuántica para la detección mejorada de objetivos de desvanecimiento de Rayleigh". Physical Review A . 96 (2): 020302. arXiv : 1706.05561 . Código bibliográfico : 2017PhRvA..96b0302Z . doi : 10.1103 / PhysRevA.96.020302 .
- ^ Shapiro, Jeffrey H. (17 de agosto de 2009). "Derrotando la escucha pasiva con iluminación cuántica". Physical Review A . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 80 (2): 022320. arXiv : 0904.2490 . Código Bibliográfico : 2009PhRvA..80b2320S . doi : 10.1103 / physreva.80.022320 . ISSN 1050-2947 .
- ^ Pirandola, Stefano; Mancini, Stefano; Lloyd, Seth; Braunstein, Samuel L. (11 de julio de 2008). "Criptografía cuántica de variable continua mediante comunicación cuántica bidireccional". Física de la naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 4 (9): 726–730. arXiv : quant-ph / 0611167 . Código Bibliográfico : 2008NatPh ... 4..726P . doi : 10.1038 / nphys1018 . ISSN 1745-2473 .
- ^ Lopaeva, ED; Ruo Berchera, I .; Degiovanni, IP; Olivares, S .; Brida, G .; Genovese, M. (10 de abril de 2013). "Realización experimental de iluminación cuántica". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 110 (15): 153603. arXiv : 1303.4304 . Código Bibliográfico : 2013PhRvL.110o3603L . doi : 10.1103 / physrevlett.110.153603 . ISSN 0031-9007 . PMID 25167266 .
- ^ Zhang, Zheshen; Tengner, Maria; Zhong, Tian; Wong, Franco NC; Shapiro, Jeffrey H. (1 de julio de 2013). "Beneficio del enredo sobrevive a un canal que rompe el enredo". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 111 (1): 010501. arXiv : 1303.5343 . Código bibliográfico : 2013PhRvL.111a0501Z . doi : 10.1103 / physrevlett.111.010501 . ISSN 0031-9007 . PMID 23862986 .
- ^ Zhang, Zheshen; Mouradian, Sara; Wong, Franco NC; Shapiro, Jeffrey H. (20 de marzo de 2015). "Detección mejorada por enredos en un entorno ruidoso y con pérdidas". Cartas de revisión física . 114 (11): 110506. arXiv : 1411.5969 . Código Bibliográfico : 2015PhRvL.114k0506Z . doi : 10.1103 / physrevlett.114.110506 . ISSN 0031-9007 . PMID 25839252 .
- ^ Las ventajas del sensor cuántico sobreviven a la ruptura del entrelazamiento , MIT News, 9 de marzo (2015), ( [2] )
- ^ Barzanjeh, S .; Pirandola, S .; Vitali, D .; Fink, JM (2020). "Iluminación cuántica de microondas mediante un receptor digital" . Avances científicos . 6 (19): eabb0451. doi : 10.1126 / sciadv.abb0451 . ISSN 2375-2548 .
- ^ "El radar cuántico se ha demostrado por primera vez" . Revisión de tecnología del MIT . Consultado el 15 de junio de 2020 .
- ^ Defienne, H .; Reichert, M .; Fleischer, J .; Faccio, D. (2019). "Destilación de imágenes cuánticas" . Avances científicos . 5 (10): eaax0307. doi : 10.1126 / sciadv.aax0307 . ISSN 2375-2548 .
- ^ "Los enlaces cuánticos rotos todavía funcionan" . Naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 499 (7457): 129. 2013. doi : 10.1038 / 499129a . ISSN 0028-0836 .
- ^ Lisa Grossman (17 de julio de 2013). "La fragilidad del entrelazamiento no impide los secretos cuánticos" . Nuevo científico . Consultado el 16 de noviembre de 2019 .