Квантовый приемник является элементарным компонентом в задачах обработки квантовой информации. Он направлен на извлечение необходимой информации из неортогональных квантовых состояний. Из-за характера дробового шума сигналы, передаваемые электромагнитными волнами, проявляют неортогональные квантовые характеристики после серьезных потерь, например, во время межзвездной связи. Таким образом, квантовый приемник является единственным устройством для декодирования этих слабых сигналов с частотой ошибок ниже предела дробового шума.

Однако обычная конструкция квантового приемника чувствительна к шуму. Кроме того, вычислительные затраты на аналитическую оптимизацию подходящей логики декодирования колоссальны. Следовательно, для декодирования основных кодов было разработано лишь несколько квантовых приемников, и их характеристики все еще далеки от идеала.

В новой статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications , группа исследователей во главе с доцентом Жешэнь Чжаном из Аризонского и Мичиганского университетов и соавторами разработала квантовый приемник, улучшенный с помощью технологии адаптивного обучения (QREAL). короче говоря). В соответствии с концепцией обучения с подкреплением модернизированный квантовый приемник теперь становится самоуправляемым и может повышать производительность при наличии шума.

Архитектура QREAL состоит из трех функциональных ядер: аппаратного обеспечения, управляющей логики и рецептуры. Аппаратная часть основана на интерферометре Меха-Цандера с фазовой автоподстройкой, сверхпроводящем однофотонном детекторе и классическом процессоре. В результате оптимизированная установка гарантирует рекордно высокий общий КПД около 85 % и надежную видимость помех более 99,7 %.

Нагруженный логикой управления, классический процессор управляет всей аппаратной электроникой. Логика управления содержит дерево решений и таблицу решений для живого декодирования сигнала, которые изучаются составителем рецептур посредством сотен итераций оптимизации и моделирования. «Учитывая модель аппаратного обеспечения, целевую задачу квантовой информации и возможные источники шума, QREAL стремится эффективно изучить протокол декодирования с минимально возможной частотой ошибок».

В ходе экспериментов исследователи продемонстрировали его способность обучаться правильному протоколу декодирования и автоматически адаптироваться к шуму. Экспериментальные результаты подтверждают, что производительность улучшается примерно на 15% по сравнению с традиционными методами проектирования, а частота ошибок на 40% ниже, чем у лучшего классического приемника.

Для декодирования бинарной фазовой манипуляции QREAL достигает коэффициента ошибок менее 2% с менее чем одним фотоном на код, что позволяет исправлять ошибки и осуществлять связь при такой низкой мощности сигнала. Они также протестировали QREAL в поисках наилучшего протокола для декодирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с шестью кодовыми словами. «Насколько нам известно, это первый раз, когда квантовый приемник демонстрирует преимущество с алфавитом больше четырех».

Поскольку исследователь больше не нужен для пилотирования платформы, QREAL можно внедрить в платформы дронов для практических целей, таких как миссии на Марс. Кроме того, благодаря улучшенным характеристикам подавления шумовых паттернов структура QREAL может также принести пользу другим шумным квантовым платформам среднего масштаба. «Это может стать новой парадигмой проектирования квантовых приемников», — говорят ученые.