A teoria da informação quântica, desenvolvida por Claude Shannon a partir do final da década de 1940, lida com questões como a rapidez com que a informação pode ser enviada através de um canal de comunicação barulhento. Tanto os portadores de informação (por exemplo, fótons) quanto o canal (por exemplo, cabo de fibra ótica) são considerados sistemas clássicos, com estados bem definidos e perfeitamente distinguíveis.
Nas últimas duas décadas, os físicos vêm desenvolvendo uma versão quântica da teoria da informação na qual o estado interno de cada portador de informação possui propriedades quânticas, como a superposição – a capacidade de ocupar dois ou mais estados clássicos de uma só vez. Mas as linhas de transmissão geralmente ainda são consideradas clássicas, de modo que o caminho percorrido pelas mensagens no espaço é sempre bem definido.
Agora, em um novo artigo, os físicos Giulio Chiribella e Hlér Kristjánsson, da Universidade de Oxford e da Universidade de Hong Kong, propuseram um segundo nível de quantização, no qual tanto os portadores de informação quanto os canais podem estar em superposição quântica. Neste novo paradigma de comunicação, os portadores de informação podem viajar através de múltiplos canais simultaneamente.
“Este trabalho fornece a base para uma nova teoria da comunicação, onde a propagação da informação no espaço e no tempo é tratada mecanicamente”, disse Chiribella à Phys.org. “Isso abre novos caminhos para as redes de comunicação quântica e para uma futura Internet quântica, onde os dados podem ser enviados de um remetente para um receptor através de múltiplos servidores quânticos. Explorando a interferência de diferentes caminhos de comunicação, será possível se comunicar de maneira mais eficiente.” No nível fundamental, a transmissão de mensagens ao longo de múltiplas trajetórias poderia dar origem a testes fundamentais da natureza quântica do espaço-tempo. ”
Este fenômeno de superposição de canais pode ser observado no famoso experimento de dupla fenda, no qual um único fóton parece passar por duas fendas de uma só vez. Mesmo que apenas um único fóton seja usado, o fóton cria um padrão de interferência no detector. A melhor explicação para o padrão de interferência é que o fóton interferiu consigo mesmo, como uma onda, depois de viajar simultaneamente pelas duas fendas ao longo de dois caminhos diferentes.
Quando uma portadora de informação é autorizada a viajar através de dois canais de comunicação simultaneamente, ela pode oferecer vantagens como ruído reduzido (devido à interferência de ruído em diferentes caminhos) e maior capacidade de canal. Essas vantagens foram demonstradas em experimentos recentes com fótons.
No novo artigo, os físicos tiveram que enfrentar alguns dos desafios envolvidos na incorporação da superposição de canais em uma teoria quântica da informação. Um dos desafios é descrever a sobreposição de canais de forma composicional, de modo que o comportamento de um canal possa ser previsto quando usado em combinação com outros canais. Um segundo desafio é que a superposição de estados internos dos portadores de informação deve ser claramente separada da superposição de caminhos. Caso contrário, o caminho em si se torna parte da mensagem e o sistema pode ser descrito usando a estrutura quântica convencional.
Ao abordar esses desafios, os físicos formularam um modelo de comunicações quânticas que pode ser usado para calcular a quantidade de informação que pode ser transmitida de forma confiável ao usar um determinado número de canais em uma superposição quântica. Contraintuitivamente, os físicos mostraram que, para certos tipos de ruído, a superposição de canais, juntamente com a capacidade de trocar um canal consigo mesmo, poderia ser usada para remover completamente todo o ruído. Isso abre a possibilidade de obter perfeita comunicação quântica em um canal barulhento.
“Nosso trabalho definiu um modelo de comunicação e forneceu alguns exemplos de prova de princípio”, disse Chiribella. “No entanto, isso apenas arranhou a superfície do que pode ser realizado com a superposição de canais de comunicação quântica. Estamos agora explorando o poder das correlações entre eles. Se duas trajetórias visitam a mesma região, o processo experimentado pelo portador de informação no A primeira trajetória pode ser correlacionada com o processo vivenciado na segunda trajetória, aproveitando essas correlações de maneira inteligente, é possível melhorar o desempenho da comunicação além do que pode ser feito com a superposição de canais independentes. nos dará novos insights sobre as formas peculiares pelas quais a informação quântica se propaga no espaço e no tempo “.
Artigo original: https://phys.org/news/2019-05-physicists-quantization-quantum-shannon-theory.html