Informationsteori, som utvecklades av Claude Shannon med början i slutet av 1940 -talet, behandlar frågor som hur snabbt information kan skickas över en bullrig kommunikationskanal. Båda informationsbärarna (t.ex. fotoner) och kanalen (t.ex. optisk fiberkabel) antas vara klassiska system, med väldefinierade, perfekt urskiljbara stater.

Under de senaste två decennierna har fysiker har utvecklat en kvantversion av informationsteori där det interna tillståndet hos varje informationsbärare har kvantegenskaper, såsom superposition - förmågan att ockupera två eller flera klassiska tillstånd samtidigt. Men överföringsledningarna antas i allmänhet fortfarande vara klassiska, så att vägen som meddelanden tar i rymden alltid är väldefinierad.

Nu i ett nytt papper, fysikerna Giulio Chiribella och Hlér Kristjánsson vid University of Oxford och University of Hong Kong har föreslagit en andra nivå av kvantisering, där både informationsbärarna och kanalerna kan vara i kvantöverlagring. I detta nya paradigm för kommunikation, informationsbärarna kan färdas genom flera kanaler samtidigt.

"Detta arbete ger grunden för en ny teori om kommunikation där spridning av information i rum och tid behandlas kvantmekaniskt, "Berättade Chiribella Phys.org . "Det öppnar nya vägar för kvantkommunikationsnätverk och för ett framtida kvantinternet, där data kan skickas från en avsändare till en mottagare via flera kvanttservrar. Utnyttjar störningen av olika kommunikationsvägar, det blir möjligt att kommunicera mer effektivt och säkrare. På den grundläggande nivån, överföringen av meddelanden längs flera banor kan ge upphov till grundläggande tester av rymdtiden.

Detta kanalsuperpositionsfenomen kan observeras i det berömda dubbelspaltsexperimentet, där en enda foton verkar passera genom två slitsar samtidigt. Även om bara en enda foton används, fotonen skapar ett interferensmönster på detektorn. Den bästa förklaringen till interferensmönstret är att fotonen störde sig själv, som en våg, efter att samtidigt ha färdats genom båda slitsarna längs två olika vägar.

När en informationsbärare får resa genom två kommunikationskanaler samtidigt, det kan erbjuda fördelar som minskat brus (på grund av störningar från brus på olika vägar) och en högre kanalkapacitet. Dessa fördelar har visats i de senaste experimenten med fotoner.

I det nya papperet fysikerna var tvungna att konfrontera några av utmaningarna med att införliva överlagring av kanaler i en kvantteori om information. En av utmaningarna är att beskriva kanalernas överlagring på ett kompositionsmässigt sätt, så att beteendet hos en kanal kan förutsägas när den används i kombination med andra kanaler. En andra utmaning är att överlagringen av informationsbärarnas interna tillstånd måste tydligt separeras från överlagringen av vägar. Annat, själva vägen blir en del av budskapet, och systemet kan beskrivas med användning av det konventionella kvantramverket.

Genom att ta itu med dessa utmaningar, fysikerna formulerade en kvantkommunikationsmodell som kan användas för att beräkna mängden information som kan överföras på ett tillförlitligt sätt när man använder ett visst antal kanaler i en kvantsuperposition. Motintuitivt, fysikerna visade att för vissa typer av buller, överlagring av kanaler, tillsammans med möjligheten att byta kanal med sig själv, kan användas för att helt ta bort allt brus. Detta öppnar möjligheten att få perfekt kvantkommunikation i en bullrig kanal.

"Vårt arbete definierade en kommunikationsmodell och gav några exempel på principer, "Sa Chiribella." Men detta har bara skrapat på ytan av vad som kan åstadkommas med överlagring av kvantkommunikationskanaler. Vi undersöker nu kraften i sambanden mellan dem. Om två banor besöker samma region, processen som upplevs av informationsbäraren i den första banan kan korreleras med processen som upplevs i den andra banan. Genom att dra fördel av dessa korrelationer på ett smart sätt, det är möjligt att förbättra kommunikationsprestandan utöver vad som kan göras med överlagringen av oberoende kanaler. Att få tag på dessa korrelationer kommer att ge oss nya insikter om de säregna sätt på vilka kvantinformation sprider sig i rum och tid. "

© 2019 Science X Network