量子通信新发现：使用不同顺序的信道能增强网络通信能力

▲在（a）和（b）中，量子粒子以固定的顺序通过两个通道N1和N2。在（c）中，量子开关在（a）和（b）中创建了两种构型的叠加态。

据美国物理学网4月9日消息称，物理学家已经证明，以不同的顺序来使用两个量子信道可以增强通信网络传输信息的能力，即使这两个信道完全相同的，该结论也成立。这一结果与使用相同经典信道的效应形成了鲜明的对比，即：以不同的顺序使用经典信道，并不会产生任何差别或影响。物理学家丹尼尔•欧布勒（Daniel Ebler）、西娜•萨里克（Sina Salek）和朱力欧•克贝拉（Giulio Chiribella）于3月底在《物理评论快报》上发表了一篇论文，深入讨论量子信道的这种不寻常特性以及量子通信的潜在优势。

萨里克指出：“这是量子通讯的一个新模式。不仅仅是传输信息的载体是量子的，而且通信信道也能以量子的方式融合在一起。这种新模式可能让人类在一般无法进行通信的情况下的交流与沟通变为了可能。”

信息理论是由克劳德•香农（Claude Shannon）开创的，最初形成之时属于经典信道理论，但是近年来引发了量子香农理论。虽然量子通信网络是使用量子粒子和量子过程来对信息进行编码和解码，但是实际的信道仍然以经典的方式连接在一起的——以固定的顺序相连。换句话说，这意味着通过网络中的量子粒子每次都会以相同的顺序通过信道。

在这一新研究中，物理学家们探索研究了在不同顺序的量子叠加态中连接两个相同通道的可能性。为了实现这一点，他们使用了一种名为“量子开关”的操作方式——它以两个相同的信道作为输入端，然后创建一个新的信道——该新信道中两个输入信道的顺序与一个控制系统绑定纠缠在一起。最后，他们证明了这两种信道顺序的最终量子叠加态可以用来在该网络中传输经典信息，而这在信道顺序固定时是不可能的实现的。

在之前发表的另一篇论文中，研究人员解释说，由于量子开关是因果非分离的，意味着操作不遵循一定的顺序，但并不意味着它违反因果律（如未来事件导致过去事件发生，则违反因果规律），这是因为在量子开关中没有明确的过去或未来，也没有确定的谁先谁后。

物理学家们补充道，该实验结果可能看起来有些矛盾，因为在普通的量子电路中，交换两个相同信道的顺序似乎并没有任何影响。然而，量子信道在本质上是有噪声的，因此每个信道都可以被分解成不同传输过程的随机混合，而其中有一些过程并不能相互转换。换句话说，使用不同顺序的过程就会产生不同的传输结果，所以这些顺序的差异会传递影响到信道本身。

这种潜在的随机性为创建信息传输通道提供了另一种可能，该通道中的信息既不是单独处于系统状态中，也不是单独处于控制状态中，而是处于它们两者之间的相关性之中。在实验中，物理学家计算出了通过切换两个相同信道所能传输的最大信息量，他们还预计如果增加这些信道的数量，传递更多的信息也是可能的。这些科学家还与奥地利维也纳的菲利普•沃尔特（Philip Walther）教授的研究小组展开合作，目前正在计划利用光子来实现他们的通信协议。“我们的目标是发展一套完整的通信理论，将香农的理论扩展延伸，从而包含不同传输线路能以量子的方式整合在一起的情况。”萨里克说。

科界原创

 编译：朱明逸 审稿：西莫 编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-04-identical-quantum-channels.html