Informatie theorie, die werd ontwikkeld door Claude Shannon vanaf de late jaren 1940, behandelt vragen zoals hoe snel informatie kan worden verzonden over een luidruchtig communicatiekanaal. Zowel de informatiedragers (bijv. fotonen) en het kanaal (bijv. glasvezelkabel) worden beschouwd als klassieke systemen, met goed gedefinieerde, perfect te onderscheiden toestanden.

In de afgelopen twee decennia is natuurkundigen hebben een kwantumversie van de informatietheorie ontwikkeld waarin de interne toestand van elke informatiedrager kwantumeigenschappen heeft, zoals superpositie - het vermogen om twee of meer klassieke toestanden tegelijk te bezetten. Maar de transmissielijnen worden over het algemeen nog steeds als klassiek beschouwd, zodat het pad van berichten in de ruimte altijd goed gedefinieerd is.

Nu in een nieuwe krant, natuurkundigen Giulio Chiribella en Hlér Kristjánsson van de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Hong Kong hebben een tweede kwantisatieniveau voorgesteld, waarin zowel de informatiedragers als de kanalen in kwantumsuperpositie kunnen zijn. In dit nieuwe paradigma van communicatie, de informatiedragers kunnen tegelijkertijd via meerdere kanalen reizen.

"Dit werk vormt de basis voor een nieuwe communicatietheorie waarbij de verspreiding van informatie in ruimte en tijd kwantummechanisch wordt behandeld, " vertelde Chiribella Phys.org . "Het opent nieuwe wegen voor kwantumcommunicatienetwerken en voor een toekomstig kwantuminternet, waar gegevens via meerdere kwantumservers van een zender naar een ontvanger kunnen worden verzonden. Gebruikmakend van de interferentie van verschillende communicatiepaden, efficiënter en veiliger kan worden gecommuniceerd. Op het fundamentele niveau, de verzending van berichten langs meerdere trajecten zou aanleiding kunnen geven tot fundamentele tests van de kwantumaard van ruimtetijd."

Dit fenomeen van kanaalsuperpositie kan worden waargenomen in het beroemde dubbelspletenexperiment, waarin een enkel foton door twee spleten tegelijk lijkt te gaan. Ook al wordt er maar één foton gebruikt, het foton creëert een interferentiepatroon op de detector. De beste verklaring voor het interferentiepatroon is dat het foton met zichzelf interfereerde, als een golf, na gelijktijdig door beide spleten te zijn gereisd langs twee verschillende paden.

Wanneer een informatiedrager gelijktijdig via twee communicatiekanalen mag reizen, het kan voordelen bieden zoals minder ruis (door interferentie van ruis op verschillende paden) en een hogere kanaalcapaciteit. Deze voordelen zijn aangetoond in recente experimenten met fotonen.

In de nieuwe krant de natuurkundigen moesten enkele van de uitdagingen aangaan die betrokken waren bij het opnemen van de superpositie van kanalen in een kwantumtheorie van informatie. Een van de uitdagingen is om de superpositie van kanalen op een compositorische manier te beschrijven, zodat het gedrag van een kanaal kan worden voorspeld wanneer het wordt gebruikt in combinatie met andere kanalen. Een tweede uitdaging is dat de superpositie van interne toestanden van de informatiedragers duidelijk gescheiden moet worden van de superpositie van paden. Anders, het pad zelf wordt onderdeel van de boodschap, en het systeem kan worden beschreven met behulp van het conventionele kwantumraamwerk.

Door deze uitdagingen aan te gaan, de natuurkundigen formuleerden een kwantumcommunicatiemodel dat kan worden gebruikt om de hoeveelheid informatie te berekenen die op betrouwbare wijze kan worden verzonden bij gebruik van een bepaald aantal kanalen in een kwantumsuperpositie. Niet intuïtief, de fysici toonden aan dat, voor bepaalde soorten geluid, de superpositie van kanalen, samen met de mogelijkheid om met zichzelf van kanaal te wisselen, kan worden gebruikt om alle ruis volledig te verwijderen. Dit opent de mogelijkheid om perfecte kwantumcommunicatie te verkrijgen in een luidruchtig kanaal.

"Ons werk definieerde een communicatiemodel en leverde een paar proof-of-principle voorbeelden, " zei Chiribella. "Echter, dit heeft alleen maar het oppervlak bekrast van wat kan worden bereikt met de superpositie van kwantumcommunicatiekanalen. We onderzoeken nu de kracht van correlaties tussen hen. Als twee trajecten dezelfde regio bezoeken, het door de informatiedrager in het eerste traject ervaren proces kan worden gecorreleerd met het in het tweede traject ervaren proces. Door slim gebruik te maken van deze correlaties, het is mogelijk om de communicatieprestaties te verbeteren die verder gaan dan wat mogelijk is met de superpositie van onafhankelijke kanalen. Het verkrijgen van deze correlaties zal ons nieuwe inzichten geven in de eigenaardige manieren waarop kwantuminformatie zich voortplant in ruimte en tijd."

© 2019 Wetenschap X Netwerk