Суперпозиция порядка помогла получить информацию из шума ( 4 фото )

K. Goswami et al. / Physical Review Research, 2020

Физики смогли передать информацию через деполяризующий канал без значительных потерь. Они предложили использовать канал с неопределенным порядком вместе с зашумленным и рассмотрели два предельных случая: когда оба канала полностью деполяризованы и когда преобразование одного из них определено. Работа опубликована в Physical Review Research.

Качество передачи информации зависит от количества потерь на пути от источника к приемнику. Поэтому каналы передачи приходится защищать от негативных внешних воздействий и использовать усилители сигнала. Современные магистральные линии связи представляют собой оптоволоконную сеть, где носителями информации выступают фотоны. Несмотря на чувствительность оптоволокна к перепаду температур и механическим воздействиям, такая передача данных оказывается стабильнее распространения света в атмосфере.

Команда ученых из Университета Квинслэнда под руководством профессора Эндрю Уайта (Andre White) исследовала влияния сильно зашумленных каналов (таких, как атмосфера) на эффективность передачи информации. Использование явления суперпозиции порядка сделало возможным передачу информации в сильно зашумленном квантовом канале, в то время как классически это сделать невозможно.


Порядок каналов в зависимости от управляющего кубита. (a) последовательность преобразований, когда управляющий кубит в состоянии 0, (b) когд управляющий кубит в состоянии 1, (c) когда управляющий кубит в суперпозиции состояний 0 и 1.

K. Goswami et al. / Physical Review Research, 2020

Для реализации схемы с суперпозицией порядка канал передачи информации между источником и приемником должен иметь как минимум два разных преобразования. Пусть это преобразования P и Q, и помимо канала связи в системе есть управляющий канал. В зависимости от его состояния (0 или 1) преобразование информации происходят в разном порядке — если управляющий бит в состоянии 0, то порядок преобразований PQ, а для 1 — QP. Квантовая механика разрешает управляющему каналу быть не только в состояниях 0 и 1, но и в их суперпозиции. Тогда порядок преобразований становится не определен и вся схема называется квантовым переключателем.

Работа 2018 года теоретически предсказала, что квантовый переключатель может быть использован для передачи информации через сильно деполяризующие каналы. Теперь австралийские ученые развили эту идею: они собрали квантовый переключатель и рассчитали сколько информации можно передать для двух разных случаев.


Зависимость логарифма емкости Холево от степени деполяризации каналов, когда оба канала зашумлены. Синяя линия — случай определенного порядка, черная — расчет для суперпозиции порядка, красная — емкость, полученная для квантового переключателя

K. Goswami et al. / Physical Review Research, 2020


Зависимость логарифма емкости Холево, когда один из каналов фиксирован. Черная линия — теоретические предсказания, красная — результат эксперимента, синяя — для суперпозиции путей.

K. Goswami et al. / Physical Review Research, 2020

Через полностью зашумленный канал, который разрушает любое классическое состояние, ученым удалось передать 0, 0034 бита информации. Несмотря на то, что это значение все еще кажется очень маленьким, оно оказывается не таким плохим в сравнении с теоретическим пределом (пределом Холево) равным в данном случае 0,0049 битам.

Теоретически для случая, когда один из каналов фиксирован, есть вероятность передать информацию без потерь, то есть при передаче 1 бита получить 1 бит. Экспериментально ученым удалось передать 0,64 бита, чего уже достаточно для применения схемы в реальных установках. Например, можно реализовать квантовый протокол передачи данных на основе интерферометра Саньяка, у которого один из участков проходит через атмосферу. С помощью суперпозиции порядка можно шифровать информацию или получать изображение пространтсвенной моды сигнала через кожу.

Наличие шума в квантовых системах не делает их менее пригодными для реальных задач или даже для демонстраци превосходства над классическими. Так, ученые из IBM показали, что даже небольшие шумные квантовые компьютеры способны превзойти классические в игре в «магический квадрат». А протоколы квантовой криптографии уже внедряются в реальные городские информационные сети. Один из таких экспериментов есть и в России благодаря ученым из Российского Квантового Центра. Подробнее о том, как им это удалось, вы можете узнать из нашего материала «Выдергиваете и сжигаете».

Оксана Борзенкова