論文の概要: Belief Propagation with Quantum Messages for Quantum-Enhanced Classical Communications

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2003.04356v2
• Date: Fri, 7 May 2021 16:52:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-05-30 03:05:45.072792
• Title: Belief Propagation with Quantum Messages for Quantum-Enhanced Classical Communications
• Title（参考訳）: 量子拡張古典通信のための量子メッセージによる信念伝播
• Authors: Narayanan Rengaswamy, Kaushik P. Seshadreesan, Saikat Guha, Henry D. Pfister
• Abstract要約: 宇宙ベースのレーザー通信では、受信した光パルスあたりの平均光子数は1よりもはるかに小さい。 個別のパルス・バイ・パルス検出を行う受信機と量子最適「結合検出受信機」との通信容量の間には大きなギャップがある。 BPQM受信機は,このBPSK変調純損失チャネルのホレボ容量を達成できる可能性が示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 10.881273953303268
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: For space-based laser communications, when the mean photon number per received optical pulse is much smaller than one, there is a large gap between communications capacity achievable with a receiver that performs individual pulse-by-pulse detection, and the quantum-optimal "joint-detection receiver" that acts collectively on long codeword-blocks of modulated pulses; an effect often termed "superadditive capacity". In this paper, we consider the simplest scenario where a large superadditive capacity is known: a pure-loss channel with a coherent-state binary phase-shift keyed (BPSK) modulation. The two BPSK states can be mapped conceptually to two non-orthogonal states of a qubit, described by an inner product that is a function of the mean photon number per pulse. Using this map, we derive an explicit construction of the quantum circuit of a joint-detection receiver based on a recent idea of "belief-propagation with quantum messages" (BPQM) (arXiv:1607.04833). We quantify its performance improvement over the Dolinar receiver that performs optimal pulse-by-pulse detection, which represents the best "classical" approach. We analyze the scheme rigorously and show that it achieves the quantum limit of minimum average error probability in discriminating 8 (BPSK) codewords of a length-5 binary linear code with a tree factor graph. Our result suggests that a BPQM-receiver might attain the Holevo capacity of this BPSK-modulated pure-loss channel. Moreover, our receiver circuit provides an alternative proposal for a quantum supremacy experiment, targeted at a specific application that can potentially be implemented on a small, special-purpose, photonic quantum computer capable of performing cat-basis universal qubit logic.
• Abstract（参考訳）: 宇宙レーザー通信では、受信光パルス当たりの平均光子数が1よりはるかに小さい場合、個々のパルスバイパルス検出を行う受信機で実現可能な通信容量と、変調パルスの長い符号語ブロックに集合的に作用する量子光学的「ジョイント検出受信機」との間に大きなギャップがある。 本稿では、コヒーレント状態のバイナリ位相シフトキー付き純損失チャネル(BPSK)変調という、高付加能のキャパシティが知られている最も単純なシナリオについて考察する。 2つのBPSK状態は、パルス当たりの平均光子数の関数である内部積によって記述された、量子ビットの2つの非直交状態に概念的にマッピングすることができる。 このマップを用いて,近年の"belief-propagation with quantum messages" (bpqm) (arxiv:1607.04833) に基づく共同検出受信機の量子回路を明示的に構成する。 最適パルスバイパルス検出を行うドリナー受信機の性能改善を定量化し,最適な「古典的」アプローチを示す。 本手法を厳密に解析し,木因子グラフを用いた長さ5バイナリ線形符号の8(BPSK)符号の識別において,最小平均誤差確率の量子限界を達成することを示す。 以上の結果から,BPQM受信機はこのBPSK変調純損失チャネルのホレボ容量を達成できる可能性が示唆された。 さらに,本回路は,cat-basisユニバーサル量子ビット論理を実行可能な小型のフォトニック量子コンピュータ上で実装可能な,特定のアプリケーションを対象とした量子超越実験の代替提案を提供する。

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