1Natuurkunde en Toegepaste Wiskunde Unit, Indian Statistical Institute, 203 BT Road, Kolkata 700108, India.
2School voor natuurkunde, IISER Thiruvanathapuram, Vithura, Kerala 695551, India.
3International Center for Theory of Quantum Technologies (ICTQT), Universiteit van Gdańsk, 80-308 Gdańsk, Polen.
4SN Bose National Center for Basic Sciences, Block JD, Sector III, Salt Lake, Kolkata 700098, India.
5Afdeling Computerwetenschappen, de Universiteit van Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong.
Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.
Abstract
Het delen van gecorreleerde willekeurige variabelen is een bron voor een aantal informatietheoretische taken zoals privacyversterking, gelijktijdig doorgeven van berichten, geheim delen en nog veel meer. In dit artikel laten we zien dat kwantumsystemen een voordeel bieden ten opzichte van hun klassieke tegenhanger om een dergelijke hulpbron te creëren die gedeelde willekeur wordt genoemd. We laten precies zien dat geschikte, zij het vaste metingen op een gedeelde toestand van twee qubits correlaties kunnen genereren die niet kunnen worden verkregen vanuit een mogelijke toestand op twee klassieke bits. In een hulpbronnentheoretische opzet kan dit kenmerk van kwantumsystemen worden geïnterpreteerd als een voordeel bij het winnen van een coöperatief spel voor twee spelers, dat we het spel 'niet-monopoliseren van sociale subsidies' noemen. Het blijkt dat de kwantumtoestanden die tot het gewenste voordeel leiden, niet-klassiek moeten zijn in de vorm van kwantumdiscordantie. Aan de andere kant, terwijl dergelijke bronnen van gedeelde willekeur tussen twee partijen worden verdeeld via kanalen met ruis, presteren kwantumkanalen met een capaciteit van nul en met een klassieke capaciteit die strikt minder dan één is, efficiënter dan het perfecte klassieke kanaal. De hier gepresenteerde protocollen zijn ruisrobuust en zouden daarom realiseerbaar moeten zijn met de modernste kwantumapparaten.
Uitgelichte afbeelding: Niet-monopoliserend sociaal subsidiespel: voordeel van gedeelde quoin ten opzichte van gedeelde munt.
Populaire samenvatting
► BibTeX-gegevens
► Referenties
[1] L. Jiang, JM Taylor, N. Khaneja en MD Lukin, "Optimale benadering van kwantumcommunicatie met behulp van dynamische programmering", Proceedings of the National Academy of Sciences 104, 17291-17296 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.0703284104
[2] AR Dixon, ZL Yuan, JF Dynes, AW Sharpe en AJ Shields, "Gigahertz-lokmiddel voor kwantumsleuteldistributie met 1 mbit/s beveiligde sleutelsnelheid", Optics Express 16, 18790 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1364 / oe.16.018790
[3] S. Wengérowsky, et. al. "Verstrikkingsverdeling over een 96 km lange onderzeese optische vezel", Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 6684-6688 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1818752116
[4] J. Yin, et. al., "Verstrengeling-gebaseerde veilige kwantumcryptografie over 1, 120 kilometer", Nature 582, 501-505 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-020-2401-y
[5] Si-Hui Tan, Baris I. Erkmen, Vittorio Giovannetti, Saikat Guha, Seth Lloyd, Lorenzo Maccone, Stefano Pirandola en Jeffrey H. Shapiro, "Kwantumverlichting met gaussiaanse staten", Phys. ds. Lett. 101, 253601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.253601
[6] R. Schneider, et. al., "Quantumbeeldvorming met onsamenhangend verstrooid licht van een vrije-elektronenlaser", Nature Physics 14, 126-129 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4301
[7] Shahaf Asban, Konstantin E. Dorfman en Shaul Mukamel, "Quantum phase-sensitive diffraction and imaging using verstrengelde fotonen", Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 11673-11678 (2019), https://www.pnas .org/content/116/24/11673.full.pdf.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1904839116
arXiv: https: //www.pnas.org/content/116/24/11673.full.pdf
[8] T. Gregory, P.-A. Moreau, E. Toninelli en MJ Padgett, "Beeldvorming door ruis met kwantumverlichting", Science Advances 6, eaay2652 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1126 / sciadv.aay2652
[9] CF Roos, M. Chwalla, K. Kim, M. Riebe en R. Blatt, "'designer atomen' voor kwantummetrologie", Nature 443, 316-319 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature05101
[10] J. Appel, PJ Windpassinger, D. Oblak, UB Hoff, N. Kjaergaard en ES Polzik, "Mesoscopische atomaire verstrengeling voor precisiemetingen voorbij de standaard kwantumlimiet", Proceedings of the National Academy of Sciences 106, 10960-10965 (2009 ).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.0901550106
[11] Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd en Lorenzo Maccone, "Advances in quantum metrology", Nature Photonics 5, 222-229 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2011.35
[12] Gershon Kurizki, Patrice Bertet, Yuimaru Kubo, Klaus Mølmer, David Petrosyan, Peter Rabl en Jörg Schmiedmayer, "Quantum technologies with hybrid systems", Proceedings of the National Academy of Sciences 112, 3866-3873 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1419326112
[13] S.-S. Li, G.-L. Lang, F.-S. Bai, S.-L. Feng, en H.-Z. Zheng, "Quantum computing", Proceedings of the National Academy of Sciences 98, 11847-11848 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.191373698
[14] Mikkel V. Larsen, Xueshi Guo, Casper R. Breum, Jonas S. Neergaard-Nielsen en Ulrik L. Andersen, "Deterministische generatie van een tweedimensionale clusterstaat", Science 366, 369-372 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354
[15] Abhinav Kandala, Kristan Temme, Antonio D. Córcoles, Antonio Mezzacapo, Jerry M. Chow en Jay M. Gambetta, "Foutbeperking vergroot het rekenbereik van een lawaaierige kwantumprocessor", Nature 567, 491-495 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1040-7
[16] C. Flühmann, TL Nguyen, M. Marinelli, V. Negnevitsky, K. Mehta en JP Home, "Een qubit coderen in een mechanische oscillator met ingesloten ionen", Nature 566, 513-517 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0960-6
[17] Frank Arute, enz. al. "Quantum suprematie met behulp van een programmeerbare supergeleidende processor", Nature 574, 505-510 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
[18] Raúl García-Patrón, Jelmer J. Renema en Valery Shchesnovich, "Simulating boson sampling in lossy architectures", Quantum 3, 169 (2019).
https://doi.org/10.22331/q-2019-08-05-169
[19] PW Shor, "Algoritmen voor kwantumberekening: discrete logaritmen en factoring", in Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (IEEE Comput. Soc. Press).
https: / / doi.org/ 10.1109 / sfcs.1994.365700
[20] LK Grover; Een snel kwantummechanisch algoritme voor het doorzoeken van databases, Proceedings van het achtentwintigste jaarlijkse ACM-symposium over Theory of Computing. STOK '96. Philadelphia, Pennsylvania, VS: Vereniging voor computermachines: 212-219 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 237814.237866
[21] DR Simon; Op de kracht van Quantum Computation, Journal on Computing, 26 (5), 1474-1483 (1997).
https://epubs.siam.org/doi/10.1137/S0097539796298637
[22] CH Bennett, G. Brassard en J. Robert, "Privacyversterking door openbare discussie", SIAM Journal on Computing 17, 210-229 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 0217014
[23] CH Bennett, G. Brassard, C. Crepeau en UM Maurer, "Algemene privacyversterking", IEEE Trans. Inf. Theorie 41, 1915-1923 (1995).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.476316
[24] I. Newman en M. Szegedy, "Openbare vs. particuliere muntstukken in communicatiespellen in één ronde (uitgebreide samenvatting)", (ACM Press, 1996).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 237814.238004
[25] L. Babai en PG Kimmel, "Gerandomiseerde gelijktijdige berichten: oplossing van een probleem van yao in communicatiecomplexiteit", (IEEE Comput. Soc).
[26] D. Gavinsky, T. Ito en G. Wang, "Gedeelde willekeur en kwantumcommunicatie in het meerpartijenmodel", (2012), arXiv: 1210.1535 [quant-ph].
arXiv: 1210.1535
[27] R. Ahlswede en I. Csiszar, "Gemeenschappelijke willekeur in informatietheorie en cryptografie. l. geheim delen”, IEEE Trans. Inf. Theorie 39, 1121-1132 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.243431
[28] G. Brassard, R. Cleve en A. Tapp, "Kosten van het exact simuleren van kwantumverstrengeling met klassieke communicatie", Phys. ds. Lett. 83, 1874-1877 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.83.1874
[29] BF Toner en D. Bacon, "Communicatiekosten van het simuleren van belcorrelaties", Phys. ds. Lett. 91, 187904 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.91.187904
[30] J. Bowles, F. Hirsch, MT Quintino en N. Brunner, "Lokale verborgen variabele modellen voor verstrengelde kwantumtoestanden met behulp van eindige gedeelde willekeur", Phys. ds. Lett. 114, 120401 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.120401
[31] RJ Aumann, "Gecorreleerd evenwicht als een uitdrukking van bayesiaanse rationaliteit", Econometrica 55, 1 (1987).
https: / / doi.org/ 10.2307 / 1911154
[32] N. Brunner en N. Linden, "Verbinding tussen niet-lokale bel en bayesiaanse speltheorie", Nat. gemeenschappelijk. 4, 2057 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms3057
[33] Arup Roy, Amit Mukherjee, Tamal Guha, Sibasish Ghosh, Some Sankar Bhattacharya en Manik Banik, "Niet-lokale correlaties: eerlijke en oneerlijke strategieën in bayesiaanse spellen", Phys. Rev. A 94, 032120 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.032120
[34] M. Banik, SS Bhattacharya, N. Ganguly, T. Guha, A. Mukherjee, A. Rai en A. Roy, "Two-qubit pure verstrengeling als optimale sociale hulpbron in bayesiaans spel", Quantum 3, 185 (2019 ).
https://doi.org/10.22331/q-2019-09-09-185
[35] CL Canonne, V. Guruswami, R. Meka en M. Sudan, "Communicatie met imperfect gedeelde willekeur", IEEE Trans. Inf. Theorie 63, 6799-6818 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2017.2734103
[36] CE Shannon, "Een wiskundige theorie van communicatie", Bell System Technical Journal 27, 379-423 (1948).
https: / / doi.org/ 10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01338.x
[37] SL Braunstein en P. van Loock, "Kwantuminformatie met continue variabelen", Rev. Mod. Fys. 77, 513-577 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.77.513
[38] SD Bartlett, T. Rudolph en RW Spekkens, "Referentieframes, superselectieregels en kwantuminformatie", Rev. Mod. Fys. 79, 555-609 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.555
[39] R. Horodecki, P. Horodecki, M. Horodecki en K. Horodecki, "Quantum verstrengeling", Rev. Mod. Fys. 81, 865-942 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.865
[40] K. Modi, A. Brodutch, H. Cable, T. Paterek en V. Vedral, "De klassiek-kwantumgrens voor correlaties: onenigheid en gerelateerde maatregelen", Rev. Mod. Fys. 84, 1655-1707 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.84.1655
[41] FGSL Brandão, M. Horodecki, J. Oppenheim, JM Renes en RW Spekkens, "Resourcetheorie van kwantumtoestanden buiten thermisch evenwicht", Phys. Rev. Lett. 111, 250404 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.111.250404
[42] A. Grudka, K. Horodecki, M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki, P. Joshi, W. Kłobus en A. Wójcik, "Contextualiteit kwantificeren", Phys. ds. Lett. 112, 120401 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.120401
[43] A. Rivas, S. F Huelga en MB Plenio, "Quantum non-markovianity: karakterisering, kwantificering en detectie", Rep. Prog. Fys. 77, 094001 (2014).
https://doi.org/10.1088/0034-4885/77/9/094001
[44] V. Veitch, SAH Mousavian, D. Gottesman en J. Emerson, "The resource theory of stabilizer quantum computation", New J. Phys. 16, 013009 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/1/013009
[45] R. Gallego en L. Aolita, "Resource theory of steering", Phys. Rev. X 5, 041008 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.5.041008
[46] A. Winter en D. Yang, "Operational resource theory of coherence", Phys. Rev. Lett. 116, 120404 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.116.120404
[47] Eric Chitambar en Gilad Gour, "Quantum resource theorieën", Rev. Mod. Fys. 91, 025001 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.91.025001
[48] Elie Wolfe, David Schmid, Ana Belén Sainz, Ravi Kunjwal en Robert W. Spekkens, "Quantifying Bell: the resource theory of nonclassicality of common- cause boxes", Quantum 4, 280 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-06-08-280
[49] D. Schmid, D. Rosset en F. Buschemi; De type-onafhankelijke brontheorie van lokale operaties en gedeelde willekeur, Quantum, 4, 262 (2020).
https://doi.org/10.22331/q-2020-04-30-262
[50] D. Rosset, D. Schmid en F. Buschemi; Type-onafhankelijke karakterisering van ruimtelijk gescheiden bronnen, Phys. ds. Lett. 125, 210402 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.210402
[51] BF Toner en D. Bacon; Communicatiekosten van het simuleren van belcorrelaties, Phys. ds. Lett. 91, 187904 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.91.187904
[52] Harold Ollivier en Wojciech H. Zurek, "Quantum onenigheid: een maat voor de kwantumheid van correlaties", Phys. ds. Lett. 88, 017901 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.017901
[53] L Henderson en V Vedral, "Klassieke, kwantum- en totale correlaties", Journal of Physics A: Mathematical and General 34, 6899-6905 (2001).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/34/35/315
[54] D. Cavalcanti, L. Aolita, S. Boixo, K. Modi, M. Piani en A. Winter; Operationele interpretaties van kwantum onenigheid, Phys. Rev. A 83, 032324 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032324
[55] V. Madhok en A. Datta; Het interpreteren van kwantum onenigheid door het samenvoegen van kwantumtoestanden, Phys. Rev. A 83, 032323 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.032323
[56] A. Streltsov, H. Kampermann en D. Bruß; Quantum Discord koppelen aan verstrengeling in een meting, Phys. ds. Lett. 106, 160401 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.160401
[57] V. Madhok en A. Datta; De rol van kwantumonenigheid in kwantumcommunicatie, arXiv: 1107.0994 [quant-ph] (2011).
arXiv: 1107.0994
[58] B. Dakic et. al.; Quantum onenigheid als bron voor voorbereiding op afgelegen staten, Nature Physics volume 8, pagina's 666-670 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2377
[59] TKC Bobby en T. Paterek; Scheidbare toestanden verbeteren protocollen met eindigheid, New J. Phys. 16, 093063 (2014).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/9/093063/pdf
[60] AS Holevo, "Grenzen voor de hoeveelheid informatie die wordt verzonden door een kwantumcommunicatiekanaal", Problems of Information Transmission 9, 177-183 (1973).
[61] PE Frenkel en M. Weiner, "Klassieke informatieopslag in een kwantumsysteem op n-niveau", Commun. Wiskunde. Fys. 340, 563-574 (2015).
https://doi.org/10.1007/s00220-015-2463-0
[62] AS Holevo, "De capaciteit van het kwantumkanaal met algemene signaaltoestanden", IEEE Trans. Inf. Theorie 44, 269-273 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.651037
[63] B. Schumacher en MD Westmoreland, "Klassieke informatie verzenden via lawaaierige kwantumkanalen", Phys. Rev. A 56, 131-138 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.56.131
[64] S. Lloyd, "Capaciteit van het lawaaierige kwantumkanaal", Phys. Rev. A 55, 1613-1622 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.55.1613
[65] PW Shor, "De capaciteit van het kwantumkanaal en coherente informatie", Lecture notes, MSRIWorkshop on Quantum Computation -, - (2002).
[66] I. Devetak, "De private klassieke capaciteit en kwantumcapaciteit van een kwantumkanaal", IEEE Trans. Inf. Theorie 51, 44-55 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2004.839515
[67] FGSL Brandão en G. Gour, "Omkeerbaar raamwerk voor kwantumresource-theorieën", Phys. Rev. Lett. 115, 070503 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.115.070503
[68] L. Hardy, "Kwantumtheorie van vijf redelijke axioma's", (2001), arXiv:quant-ph/0101012 [quant-ph].
arXiv: quant-ph / 0101012
[69] J. Barrett, "Informatieverwerking in gegeneraliseerde probabilistische theorieën", Phys. Rev. A 75, 032304 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.75.032304
[70] G. Chiribella, GM D'Ariano en P. Perinotti, "Informatieve afleiding van de kwantumtheorie", Phys. Rev. A 84, 012311 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.012311
[71] I. Namioka en R.Phelps, "Tensorproducten van compacte convexe sets", Pac. J. Math 31, 469-480 (1969).
https: / / doi.org/ 10.2140 / pjm.1969.31.469
[72] GP Barker, "Monotone normen en tensorproducten", lineaire en multilineaire algebra 4, 191-199 (1976).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 03081087608817150
[73] GP Barker, "Theory of kegels", Linear Algebra Its Appl 39, 263-291 (1981).
https://doi.org/10.1016/0024-3795(81)90310-4
[74] G. Aubrun, L. Lami, C. Palazuelos en M. Plavala, "Verstrengeling van kegels", (2019), arXiv: 1911.09663 [math.FA].
https://doi.org/10.1007/s00039-021-00565-5
arXiv: 1911.09663
[75] K. Kraus, Staten, effecten en operaties Fundamental Notions of Quantum Theory, onder redactie van K. Kraus, A. Böhm, JD Dollard en WH Wootters (Springer Berlin Heidelberg, 1983).
https://doi.org/10.1007/3-540-12732-1
[76] RF Werner, "Quantumstaten met einstein-podolsky-rosen-correlaties die een model met verborgen variabelen toelaten", Phys. Rev. A 40, 4277-4281 (1989).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.40.4277
[77] C. King, "De capaciteit van het kwantumdepolariserende kanaal", IEEE Transactions on Information Theory 49, 221-229 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2002.806153
[78] John S. Bell, "Over het probleem van verborgen variabelen in de kwantummechanica", Rev. Mod. Fys. 38, 447-452 (1966).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.38.447
[79] Michael JW Hall, "Lokaal deterministisch model van singlet-statuscorrelaties op basis van ontspannende meetonafhankelijkheid", Phys. ds. Lett. 105, 250404 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.250404
[80] Jonathan Barrett en Nicolas Gisin, "Hoeveel onafhankelijkheid van metingen is nodig om non-lokaliteit aan te tonen?" Fys. ds. Lett. 106, 100406 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.100406
Geciteerd door
Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.
