Физики предлагают второй уровень квантования для квантовой теории Шеннона
Теория, разработанная Клодом Шенноном с конца 1940-х годов, касается таких вопросов, как скорость передачи информации по шумному каналу связи. Предполагается, что как носители информации (например, фотоны), так и канал (например, оптоволоконный кабель) являются классическими системами с четко определенными, полностью различимыми состояниями.
В последние два десятилетия физики разрабатывали квантовую версию теории информации, в которой внутреннее состояние каждого носителя информации обладает квантовыми свойствами , такими как суперпозиция — способность занимать два или более классических состояния одновременно. Но линии передачи, как правило, все еще считаются классическими, так что путь, пройденный сообщениями в пространстве, всегда четко определен.
Теперь в новой статье физики Джулио Чирибелла и Хлер Кристьянссон из Оксфордского университета и Университета Гонконга предложили второй уровень квантования, в котором и носители информации, и каналы могут находиться в квантовой суперпозиции. В этой новой парадигме коммуникации носители информации могут перемещаться по нескольким каналам одновременно.
«Эта работа создает основу для новой теории коммуникации, в которой распространение информации в пространстве и времени рассматривается квантово-механически», — сказал Чирибелла в интервью Phys.org . «Это открывает новые возможности для квантовых сетей связи и для будущего квантового интернета, где данные могут быть отправлены от отправителя к получателю через несколько квантовых серверов. Используя помехи на разных каналах связи, станет возможно общаться более эффективно и более безопасно. На фундаментальном уровне передача сообщений по нескольким траекториям может привести к фундаментальным испытаниям квантовой природы пространства-времени ».
Это явление суперпозиции канала можно наблюдать в известном эксперименте с двумя щелями, в котором один фотон, кажется, проходит через две щели одновременно. Даже если используется только один фотон , он создает интерференционную картину на детекторе. Наилучшим объяснением интерференционной картины является то, что фотон мешал самому себе, подобно волне, после одновременного прохождения через обе щели по двум различным путям.
Когда носителю информации разрешено перемещаться по двум каналам связи одновременно, он может предложить такие преимущества, как снижение шума (из-за помех на разных трактах) и более высокая пропускная способность канала. Эти преимущества были продемонстрированы в недавних экспериментах с фотонами.
В новой статье физикам пришлось столкнуться с некоторыми проблемами, связанными с включением суперпозиции каналов в квантовую теорию информации. Одна из задач состоит в том, чтобы описать суперпозицию каналов композиционным способом, чтобы можно было предсказать поведение канала при его использовании в сочетании с другими каналами. Вторая проблема заключается в том, что суперпозиция внутренних состояний носителей информации должна быть четко отделена от суперпозиции путей. В противном случае сам путь становится частью сообщения, и система может быть описана с использованием обычной квантовой структуры.
Решая эти проблемы, физики сформулировали квантовую модель связи, которая может быть использована для вычисления объема информации, которая может быть надежно передана при использовании заданного количества каналов в квантовой суперпозиции. Противоположно, физики показали, что для определенных типов шума, суперпозиция каналов, наряду с возможностью переключать канал с самим собой, может использоваться, чтобы полностью удалить весь шум. Это открывает возможность получения идеальной квантовой связи в шумном канале.
«Наша работа определила модель коммуникации и предоставила несколько примеров из принципа доказательности», — сказал Чирибелла. «Тем не менее, это только поцарапало поверхность того, что может быть достигнуто с помощью суперпозиции квантовых каналов связи. Сейчас мы исследуем силу корреляции между ними. Если две траектории посещают одну и ту же область, процесс, испытываемый носителем информации в Первая траектория может быть соотнесена с процессом, происходящим во второй траектории. Используя эти корреляции умным способом, можно улучшить производительность связи сверх того, что можно сделать с помощью суперпозиции независимых каналов. Получение этих корреляций даст нам новое понимание специфических путей распространения квантовой информации в пространстве и времени. »
