論文の概要: Achieving quantum-limited sub-Rayleigh identification of incoherent sources with arbitrary intensities

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.03511v1
• Date: Wed, 03 Sep 2025 17:52:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 21:40:46.618628
• Title: Achieving quantum-limited sub-Rayleigh identification of incoherent sources with arbitrary intensities
• Title（参考訳）: 任意の強度を持つ非コヒーレント音源の量子制限サブレイリー同定
• Authors: Danilo Triggiani, Cosmo Lupo,
• Abstract要約: 我々は、受動線形光学系によって収集された任意の強度を持つ非コヒーレント光のモデルを開発する。 我々は、特定の不整合源の識別のために、最終的な量子チャーノフ境界を達成するために、実際に集団測定が必要であることを示している。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The Rayleigh diffraction limit imposes a fundamental restriction on the resolution of direct imaging systems, hindering the identification of incoherent optical sources, such as celestial bodies in astronomy and fluorophores in bioimaging. Recent advances in quantum sensing have shown that this limit can be circumvented through spatial demultiplexing (SPADE) and photon detection. Notably, the latter is a semi-classical detection strategy, being SPADE a linear transformation of the field and photon detection a measurement of intensity. However, the general optimality for arbitrary intensity distributions and bright sources remains unproven. In this work, we develop a general model for incoherent light with arbitrary intensity collected by passive, linear optical systems. We employ this framework to compute the quantum Chernoff exponent for generic incoherent-source discrimination problems, and we analyze several special cases, with particular focus on the subdiffraction regime for Gaussian point-spread functions. We show that, surprisingly, SPADE measurements do not always saturate the quantum Chernoff bound in the subdiffraction regime; the quantum optimality holds only when certain compatibility conditions, such as covariance matrix commutativity, are met. These findings suggest that collective measurements may actually be needed to achieve the ultimate quantum Chernoff bound for the discrimination of specific incoherent sources. For the fully general case, our analysis can still be used to find the best SPADE configurations, generally achieved through a hypotheses-dependent rotation of the SPADE modes. Our results advance the theory of quantum-limited optical discrimination, with possible applications in diagnostics, automated image interpretation, and galaxy identification.
• Abstract（参考訳）: レイリー回折限界は直接撮像システムの解像度に根本的な制限を課し、天文学における天体やバイオイメージングにおける蛍光体のような不整合性光源の同定を妨げる。 量子センシングの最近の進歩は、空間除算(SPADE)と光子検出によってこの限界を回避できることを示している。 特に後者は半古典的検出戦略であり、SPADEは磁場の線形変換であり、光子検出は強度の測定である。 しかし、任意の強度分布と明るい光源に対する一般的な最適性は証明されていない。 本研究では、受動線形光学系によって収集された任意の強度を持つ非コヒーレント光の一般モデルを開発する。 我々はこのフレームワークを用いて、一般的な非コヒーレントソース識別問題に対する量子チャーノフ指数を計算し、特にガウス点スプレッド関数のサブ回折系に着目したいくつかの特別なケースを分析する。 意外なことに、SPADE測定は、部分回折状態において有界な量子チャーノフを常に飽和させるわけではない。 これらの結果は、特定の不整合源の識別のために、最終的な量子チャーノフ境界を達成するために、実際に集団測定が必要であることを示唆している。 完全に一般的な場合、我々の分析は、SPADEモードの仮説に依存した回転によって達成される、最高のSPADE構成を見つけるために依然として使用できる。 この結果は、診断、自動画像解釈、銀河識別に応用できる量子制限光識別の理論を推し進めるものである。

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