La sovrapposizione di N canali consente ai portatori di informazioni di viaggiare attraverso più canali contemporaneamente. Credito:Chiribella e Kristjánsson. ©2019 La Società Reale
teoria dell'informazione, che è stato sviluppato da Claude Shannon a partire dalla fine degli anni '40, si occupa di questioni come la velocità con cui le informazioni possono essere inviate su un canale di comunicazione rumoroso. Entrambi i vettori di informazioni (ad es. fotoni) e il canale (ad es. cavo in fibra ottica) si presume siano sistemi classici, con ben definito, stati perfettamente distinguibili.
Negli ultimi due decenni, i fisici hanno sviluppato una versione quantistica della teoria dell'informazione in cui lo stato interno di ciascun vettore di informazioni ha proprietà quantistiche, come la sovrapposizione, la capacità di occupare due o più stati classici contemporaneamente. Ma le linee di trasmissione sono generalmente ancora considerate classiche, in modo che il percorso dei messaggi nello spazio sia sempre ben definito.
Ora in un nuovo giornale, i fisici Giulio Chiribella e Hlér Kristjánsson dell'Università di Oxford e dell'Università di Hong Kong hanno proposto un secondo livello di quantizzazione, in cui sia i vettori di informazione che i canali possono essere in sovrapposizione quantistica. In questo nuovo paradigma di comunicazione, i vettori di informazioni possono viaggiare attraverso più canali contemporaneamente.
"Questo lavoro fornisce le basi per una nuova teoria della comunicazione in cui la propagazione delle informazioni nello spazio e nel tempo viene trattata meccanicamente in modo quantistico, "Chiribella ha detto Phys.org . "Apre nuove strade per le reti di comunicazione quantistica e per un futuro Internet quantistico, dove i dati possono essere inviati da un mittente a un destinatario attraverso più server quantistici. Sfruttando l'interferenza di diversi percorsi di comunicazione, sarà possibile comunicare in modo più efficiente e sicuro. A livello fondamentale, la trasmissione di messaggi lungo traiettorie multiple potrebbe dar luogo a test fondamentali sulla natura quantistica dello spaziotempo".
Questo fenomeno di sovrapposizione dei canali può essere osservato nel famoso esperimento della doppia fenditura, in cui un singolo fotone sembra passare attraverso due fenditure contemporaneamente. Anche se viene utilizzato un solo fotone, il fotone crea un pattern di interferenza sul rivelatore. La migliore spiegazione per il modello di interferenza è che il fotone ha interferito con se stesso, come un'onda, dopo aver attraversato contemporaneamente entrambe le fenditure lungo due percorsi diversi.
Quando un vettore di informazioni può viaggiare contemporaneamente attraverso due canali di comunicazione, può offrire vantaggi come un rumore ridotto (dovuto all'interferenza del rumore su percorsi diversi) e una maggiore capacità di canale. Questi vantaggi sono stati dimostrati in recenti esperimenti con fotoni.
Nel nuovo giornale, i fisici hanno dovuto affrontare alcune delle sfide implicate nell'incorporare la sovrapposizione dei canali in una teoria quantistica dell'informazione. Una delle sfide è descrivere la sovrapposizione dei canali in modo compositivo, in modo che il comportamento di un canale possa essere previsto quando viene utilizzato in combinazione con altri canali. Una seconda sfida è che la sovrapposizione degli stati interni dei supporti di informazione deve essere chiaramente separata dalla sovrapposizione dei percorsi. Altrimenti, il percorso stesso diventa parte del messaggio, e il sistema può essere descritto utilizzando il quadro quantistico convenzionale.
Affrontando queste sfide, i fisici hanno formulato un modello di comunicazione quantistica che può essere utilizzato per calcolare la quantità di informazioni che possono essere trasmesse in modo affidabile quando si utilizza un dato numero di canali in una sovrapposizione quantistica. Controintuitivamente, i fisici hanno dimostrato che, per alcuni tipi di rumore, la sovrapposizione dei canali, insieme alla possibilità di cambiare canale con se stesso, potrebbe essere utilizzato per rimuovere completamente tutto il rumore. Questo apre la possibilità di ottenere una comunicazione quantistica perfetta in un canale rumoroso.
"Il nostro lavoro ha definito un modello di comunicazione e ha fornito alcuni esempi di prova di principio, " Chiribella ha detto. "Tuttavia, questo ha solo scalfito la superficie di ciò che può essere realizzato con la sovrapposizione di canali di comunicazione quantistica. Ora stiamo esplorando il potere delle correlazioni tra di loro. Se due traiettorie visitano la stessa regione, il processo sperimentato dal portatore di informazioni nella prima traiettoria può essere correlato con il processo sperimentato nella seconda traiettoria. Sfruttando in modo intelligente queste correlazioni, è possibile potenziare le performance comunicative oltre ciò che si può fare con la sovrapposizione di canali indipendenti. Entrare in possesso di queste correlazioni ci darà nuove intuizioni sui modi peculiari in cui le informazioni quantistiche si propagano nello spazio e nel tempo».
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