QuICHE: Quantum information and communication with high-dimensional encoding

QuICHE:高维编码的量子信息与通信

基本信息

  • 批准号:
    EP/T027177/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32.32万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

High-dimensional (HD) photonic quantum information (QI) promises considerable advantages compared to the two-dimensional qubit paradigm, from increased quantum communication rates to increased robustness for entanglement distribution. This project aims to unlock the potential of HD QI by encoding information in the spectral-temporal (ST) degrees of freedom of light. We will develop matched experimental tools and theoretical architectures for manipulating and characterizing such states, and we will demonstrate their use in applications. Every light beam has a large capacity for information coding in its ST degrees of freedom, which, through broadband optical fiber communications, underpins the massive capacity of the internet. Quantum light beams inherit this capacity, which has been as-of-yet underexplored and underutilized. ST control of quantum states of light enables multiplexing of QI in a single spatial mode, ideally suited for guided-wave communications and integrated devices. QI encoding in HD states, going well beyond two-dimensional encoding, has been recognized as a promising way towards enhanced QI processing, communication, and sensing. Even with an increasing number of theoretical proposals, there are, however, few experimental demonstrations of this capability. What is needed is a unified theoretical approach to HD quantum states that is relevant to real experimental devices, accounting for real-world imperfections in order to unlock the full potential of ST-encoded HD QI processing. This project will deliver such a joint effort to bridge this gap. We will carry out connected theoretical and experimental research to achieve secure communication in bipartite and multipartite scenarios, enhance the performance of quantum networks, and develop efficient methods for dimension witnesses, entanglement certification, estimation of properties of quantum states and channels, and quantum metrology. Moreover, we will introduce and develop the new concept of HD quantum temporal imaging. Experimental implementation will be based on novel HD encodings in time and frequency based on ultrafast quantum optical approaches in nonlinear waveguide and electro-optic devices. Encodings using broadband field-orthogonal overlapping pulse modes as well as distinct, non-overlapping time and frequency bins will be explored and brought together to form an effective hybrid-encoded network. Key to experimentally accessing the HD potential of the ST encoding will be the noiseless manipulation of time scales using the concepts of quantum temporal imaging. Combined experimental and theoretical efforts will yield a unified platform for HD, integrated optical QI processing, communication, and sensing.
与二维量子位范式相比,高维(HD)光子量子信息(QI)具有相当大的优势,从提高量子通信速率到提高纠缠分布的鲁棒性。该项目旨在通过在光的光谱时间 (ST) 自由度中编码信息来释放 HD QI 的潜力。我们将开发匹配的实验工具和理论架构来操纵和表征这些状态,并且我们将展示它们在应用中的用途。每束光束在其ST自由度上都具有巨大的信息编码能力,通过宽带光纤通信支撑着互联网的巨大容量。量子光束继承了这种能力,但迄今为止尚未得到充分探索和利用。 ST 对光量子态的控制可以在单一空间模式下实现 QI 的复用,非常适合导波通信和集成设备。 HD 状态下的 QI 编码远远超出了二维编码,已被认为是增强 QI 处理、通信和传感的有前途的方法。然而,即使有越来越多的理论建议,这种能力的实验演示却很少。我们需要一种与真实实验设备相关的统一的 HD 量子态理论方法,考虑到现实世界的缺陷,以释放 ST 编码的 HD QI 处理的全部潜力。该项目将通过共同努力来弥补这一差距。我们将开展互联的理论和实验研究,以实现双向和多方场景下的安全通信,增强量子网络的性能,开发维度见证、纠缠证明、量子态和通道属性估计以及量子计量的有效方法。此外,我们将介绍和开发高清量子时间成像的新概念。实验实施将基于新颖的时间和频率高清编码,基于非线性波导和电光器件中的超快量子光学方法。将探索使用宽带场正交重叠脉冲模式以及不同的、非重叠的时间和频率仓的编码,并将其组合在一起形成有效的混合编码网络。通过实验获得 ST 编码的高清潜力的关键是使用量子时间成像的概念对时间尺度进行无噪声操纵。实验和理论的结合将产生一个统一的高清、集成光学 QI 处理、通信和传感平台。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Single-shot discrimination of coherent states beyond the standard quantum limit.
超出标准量子极限的相干态的单次辨别。
  • DOI:
    http://dx.10.1364/ol.421646
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Thekkadath GS
  • 通讯作者:
    Thekkadath GS
Reducing g(2)(0) of a parametric down-conversion source via photon-number resolution with superconducting nanowire detectors.
  • DOI:
    10.1364/oe.450172
  • 发表时间:
    2021-11-30
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    S. Sempere;G. Thekkadath;R. Patel;W. Kolthammer;I. Walmsley
  • 通讯作者:
    I. Walmsley
Quantum simulations with multiphoton Fock states
多光子福克态的量子模拟
  • DOI:
    10.1038/s41534-021-00427-w
  • 发表时间:
    2019-06-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.6
  • 作者:
    T. Sturges;T. McDermott;A. Buraczewski;W. Clements;J. Renema;S. Nam;T. Gerrits;A. Lita;W. Kolthammer;A. Eckstein;I. Walmsley;M. Stobi'nska
  • 通讯作者:
    M. Stobi'nska
Engineering a noise-free quantum memory for temporal mode manipulation
设计用于时间模式操作的无噪声量子存储器
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Hird Thomas Muir
  • 通讯作者:
    Hird Thomas Muir
Further compactifying linear optical unitaries
进一步紧凑化线性光学单元
  • DOI:
    10.1063/5.0053421
  • 发表时间:
    2021-04-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Bryn A. Bell;Ian A. Walmsley
  • 通讯作者:
    Ian A. Walmsley
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