1.
上世纪40年代末，克劳德·香农（Claude Shannon）根据经典物理定律建立了数据传输模型，发展出了信息论。对于建立在经典体系之上的香农信息论来说，无论是信息载体（如光子）还是通信信道本身（如光缆），都被视作是经典系统。它们具有定义明确、完全可区分的状态。
在过去的20年多里，物理学家一直想要发展出信息论的量子版本，以探索当信息载体是量子系统时会产生什么新的可能性。信息论往量子领域的延伸被称为量子香农理论，在传统的量子香农理论中，每个信息载体的内部状态都具有量子特性，例如叠加（可以同时占据两个或多个经典态），但我们仍假定它们的传输线是经典的，也就是说信息在空间中的轨迹总是有着良好的定义的。
因此，从经典到量子的转变其实是不完全的。在一篇新的论文中，牛津大学和香港大学的物理学家Giulio Chiribella和Hler Kristjansson提出了一个新的概念，即二级量子化，这种框架下的信息载体和信道都可以处于量子叠加态下，也就是说无论是信息本身还是它在时空中的传播，都需要用量子力学才能处理。在这种新的通信模式中，信息载体可以同时通过多个信道进行传输。
2.
我们可以用著名的双缝实验来展示信道叠加这一现象。在双缝实验中，一个光子可以同时通过两个缝隙，即使通过缝隙的光子只有一个，也能在探测器上生成干涉图样。对这种干涉图样的最好解释就是光子像波一样，沿着两条不同的路径同时穿过了两条狭缝，然后自我干涉形成了干涉图样。当一个信息载体可以同时通过两个通信信道时，就能带来诸如降低噪声（由在不同路径的噪声之间的相互干涉所造成）以及更高的信道容量等优点。
在这项新的研究中，研究人员在将信道的叠加纳入信息的量子理论中时遇到了许多挑战。其中一个挑战就是如何用组合的方式描述信道的叠加，这样就可以预测当一个信道与其他信道结合使用时会有怎样的行为。第二个挑战是他们必须将信息载体内部状态的叠加与路径的叠加明确地分开，否则路径本身也成为信息的一部分，然后系统就可以用传统的量子框架来描述。
○ N个信道的叠加使得信息载体可以同时通过多个信道。| 图片来源：Chiribella & Kristjansson/The Royal Society
在新的研究中，他们解决了这些问题，为更全面的量子香农理论奠定了基础。通过解决这些问题，他们建立了一个量子通信模型，这一模型可以用来计算在量子叠加态下使用给定数量的信道时可以可靠地传输多少信息量。他们发现，对于某些类型的噪声来说，信道的叠加以及与自身进行信道切换的能力，可以用来完全地消除所有噪声。这为在噪声信道中获得完美的量子通信提供了可能。
3.
利用不同通信路径之间的干涉，我们不仅有可能将数据通过多个量子服务器从发送方输送到接收方，还可以进行更有效、更安全的通信。从基础科研的角度来看，信息沿多条路径的传输，或许为时空的量子本质提供基本检验。
虽然这无疑是朝着更完全的量子通信迈进了一步，但Chiribella表示说，他们才仅仅触及到量子通信信道叠加的表面。现在，研究人员想知道通信信道之间的相关性能给我们带来什么。Chiribella说：“如果两个轨迹访问的是同一个区域，那么信息载体在第一个轨迹中所经历的过程可以与在第二个轨迹中所经历的过程相关联。通过巧妙地利用这些相关性，就有可能将通信性能提高到超出独立信道的叠加的表现。通过掌握这些相关性，将让我们对量子信息在时空中传播的奇特方式产生新的认识。”
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发表于 2019-5-23 13:25
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