論文の概要: Quantification of the energy consumption of entanglement distribution

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.23108v1
• Date: Wed, 30 Jul 2025 21:21:19 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-01 17:19:08.731069
• Title: Quantification of the energy consumption of entanglement distribution
• Title（参考訳）: 絡み合い分布のエネルギー消費の定量化
• Authors: Karol Horodecki, Marek Winczewski, Leonard Sikorski, Paweł Mazurek, Mikołaj Czechlewski, Raja Yehia,
• Abstract要約: ノイズのある量子チャネルを介して量子絡み合いを生成するのに必要なエネルギーを定量化する。 絡み合い理論における不可逆性は、非ゼロエネルギーコストを意味することを示す。 フォトニック偏光量子ビットに対する3つの絡み合った蒸留プロトコルのエネルギー要求を評価する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Inspired by environmental sciences, we develop a framework to quantify the energy needed to generate quantum entanglement via noisy quantum channels, focusing on the hardware-independent, i.e. fundamental cost. Within this framework, we define a measure of the minimal fundamental energy consumption rate per distributed entanglement (expressed in Joule per ebit). We then derive a lower bound on the energy cost of distributing a maximally entangled state via a quantum channel, which yields a quantitative estimate of energy investment per entangled bit for future quantum networks. We thereby show that irreversibility in entanglement theory implies a non-zero energy cost in standard entanglement distribution protocols. We further establish an upper bound on the fundamental energy consumption rate of entanglement distribution by determining the minimal energy required to implement quantum operations via classical control. To this end, we formulate the axioms for an energy cost measure and introduce a Hamiltonian model for classically-controlled quantum operations. The fundamental cost is then defined as the infimum energy over all such Hamiltonian protocols, with or without specific hardware constraints. The study of the energy cost of a quantum operation is general enough to be naturally applicable to quantum computing and is of independent interest. Finally, we evaluate the energy demands of three entanglement distillation protocols for photonic polarization qubits, finding that, due to entanglement irreversibility, their required energy exceeds the fundamental lower bound by many orders of magnitude. The introduced paradigm can be applied to other quantum resources, with appropriate changes depending on their nature.
• Abstract（参考訳）: 環境科学にインスパイアされた我々は、ノイズの多い量子チャネルを介して量子絡み合いを生成するのに必要なエネルギーを定量化するフレームワークを開発し、ハードウェアに依存しない、すなわち基本的なコストに焦点を当てた。 本枠組みでは,分散エンタングルメント当たりのエネルギー消費率の最小値(Ebit当たりジュールで表される)を定義する。 次に、量子チャネルを介して最大絡み合った状態を分配するエネルギーコストを低くし、将来の量子ネットワークにおいて、絡み合ったビット当たりのエネルギー投資を定量的に見積もる。 したがって、エンタングルメント理論の不可逆性は標準エンタングルメント分布プロトコルにおける非ゼロエネルギーコストを意味することを示す。 さらに、古典的な制御を通じて量子演算を実装するために必要な最小限のエネルギーを決定することにより、絡み合い分布の基本的なエネルギー消費率の上限を確立する。 この目的のために、エネルギーコスト測定の公理を定式化し、古典的に制御された量子演算のためのハミルトンモデルを導入する。 基本コストは、特定のハードウェア制約の有無にかかわらず、すべてのハミルトンプロトコル上の無限エネルギーとして定義される。 量子演算のエネルギーコストの研究は、量子コンピューティングに自然に適用できるほど一般的であり、独立した関心を持つ。 最後に,光偏光量子ビットに対する3つのエンタングルメント蒸留プロトコルのエネルギー要求を評価し,その必要エネルギーが光偏光量子ビットの基本的な下界を何桁も超えることを示した。 導入されたパラダイムは他の量子資源にも適用でき、その性質によって適切な変化がある。

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