La superposition de N canaux permet aux supports d'information de traverser plusieurs canaux simultanément. Crédit :Chiribella et Kristjánsson. ©2019 La Société Royale
Théorie de l'information, qui a été développé par Claude Shannon à partir de la fin des années 40, traite des questions telles que la rapidité avec laquelle les informations peuvent être envoyées sur un canal de communication bruyant. Les deux supports d'information (par exemple, photons) et le canal (par exemple, câble à fibre optique) sont supposés être des systèmes classiques, avec bien défini, états parfaitement distinguables.
Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont développé une version quantique de la théorie de l'information dans laquelle l'état interne de chaque support d'information a des propriétés quantiques, comme la superposition - la capacité d'occuper deux ou plusieurs états classiques à la fois. Mais les lignes de transmission sont généralement encore supposées classiques, de sorte que le chemin emprunté par les messages dans l'espace est toujours bien défini.
Maintenant dans un nouveau papier, les physiciens Giulio Chiribella et Hlér Kristjánsson de l'Université d'Oxford et de l'Université de Hong Kong ont proposé un deuxième niveau de quantification, dans lequel à la fois les supports d'information et les canaux peuvent être en superposition quantique. Dans ce nouveau paradigme de la communication, les supports d'information peuvent voyager à travers plusieurs canaux simultanément.
"Ce travail jette les bases d'une nouvelle théorie de la communication où la propagation de l'information dans l'espace et le temps est traitée de manière quantique, " a dit Chiribella Phys.org . « Il ouvre de nouvelles voies pour les réseaux de communication quantiques et pour un futur Internet quantique, où les données pourraient être envoyées d'un expéditeur à un destinataire via plusieurs serveurs quantiques. Exploiter les interférences des différents chemins de communication, il sera possible de communiquer plus efficacement et de manière plus sécurisée. Au niveau fondamental, la transmission de messages le long de trajectoires multiples pourrait donner lieu à des tests fondamentaux de la nature quantique de l'espace-temps."
Ce phénomène de superposition de canaux peut être observé dans la célèbre expérience de la double fente, dans lequel un seul photon semble traverser deux fentes à la fois. Même si un seul photon est utilisé, le photon crée une figure d'interférence sur le détecteur. La meilleure explication de la figure d'interférence est que le photon s'est interféré avec lui-même, comme une vague, après avoir parcouru simultanément les deux fentes le long de deux chemins différents.
Lorsqu'un support d'information est autorisé à traverser deux canaux de communication simultanément, il peut offrir des avantages tels qu'une réduction du bruit (en raison de l'interférence du bruit sur différents chemins) et une capacité de canal plus élevée. Ces avantages ont été démontrés dans des expériences récentes avec des photons.
Dans le nouveau journal, les physiciens ont dû faire face à certains des défis liés à l'incorporation de la superposition de canaux dans une théorie quantique de l'information. L'un des défis est de décrire la superposition de canaux de manière compositionnelle, de sorte que le comportement d'un canal peut être prédit lorsqu'il est utilisé en combinaison avec d'autres canaux. Un deuxième défi est que la superposition des états internes des supports d'information doit être clairement séparée de la superposition des chemins. Autrement, le chemin lui-même devient une partie du message, et le système peut être décrit en utilisant le cadre quantique conventionnel.
En relevant ces défis, les physiciens ont formulé un modèle de communication quantique qui peut être utilisé pour calculer la quantité d'informations pouvant être transmise de manière fiable lors de l'utilisation d'un nombre donné de canaux dans une superposition quantique. Contre-intuitivement, les physiciens ont montré que, pour certains types de bruit, la superposition de canaux, avec la possibilité de changer de canal avec lui-même, pourrait être utilisé pour supprimer complètement tout bruit. Cela ouvre la possibilité d'obtenir une communication quantique parfaite dans un canal bruité.
"Notre travail a défini un modèle de communication et fourni quelques exemples de preuve de principe, " dit Chiribella. " Cependant, cela n'a fait qu'effleurer la surface de ce qui peut être accompli avec la superposition de canaux de communication quantiques. Nous explorons maintenant le pouvoir des corrélations entre eux. Si deux trajectoires visitent la même région, le processus subi par le support d'informations dans la première trajectoire peut être corrélé avec le processus vécu dans la seconde trajectoire. En tirant intelligemment de ces corrélations, il est possible d'améliorer les performances de communication au-delà de ce qui peut être fait avec la superposition de canaux indépendants. S'emparer de ces corrélations nous donnera de nouvelles perspectives sur les manières particulières dont l'information quantique se propage dans l'espace et le temps. »
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