2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Physiker konnten Informationen ohne nennenswerte Verluste durch den depolarisierenden Kanal übertragen. Sie schlugen vor, einen Kanal mit unbestimmter Ordnung zusammen mit einem verrauschten zu verwenden und betrachteten zwei Grenzfälle: wenn beide Kanäle vollständig depolarisiert sind und wenn die Transformation eines von ihnen bestimmt ist. Die Arbeit wurde in Physical Review Research veröffentlicht.
Die Qualität der Informationsübertragung hängt von der Höhe der Verluste auf dem Weg von der Quelle zum Empfänger ab. Daher müssen Übertragungskanäle vor negativen äußeren Einflüssen geschützt und Signalverstärker verwendet werden. Moderne Backbone-Kommunikationsleitungen stellen ein Glasfasernetz dar, in dem Photonen als Informationsträger fungieren. Trotz der Empfindlichkeit von Glasfasern gegenüber Temperaturunterschieden und mechanischer Beanspruchung erweist sich eine solche Datenübertragung als stabiler als die Lichtausbreitung in der Atmosphäre.
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Queensland unter der Leitung von Professor Andre White untersuchte den Einfluss stark verrauschter Kanäle (wie der Atmosphäre) auf die Effizienz der Informationsübertragung. Die Nutzung des Phänomens der Ordnungsüberlagerung ermöglichte es, Informationen in einem stark verrauschten Quantenkanal zu übertragen, während dies klassisch unmöglich ist.
Kanalreihenfolge abhängig vom Kontroll-Qubit. (a) eine Folge von Transformationen, wenn das Kontroll-Qubit im Zustand 0 ist, (b) wenn das Kontroll-Qubit im Zustand 1 ist, (c) wenn das Kontroll-Qubit in einer Überlagerung der Zustände 0 und 1 ist.
Um ein Schema mit Überlagerung der Ordnung zu implementieren, muss der Informationsübertragungskanal zwischen der Quelle und dem Empfänger mindestens zwei verschiedene Transformationen aufweisen. Seien dies P- und Q-Transformationen, und zusätzlich zum Kommunikationskanal gibt es einen Steuerkanal im System. Abhängig von seinem Zustand (0 oder 1) erfolgt die Informationstransformation in einer anderen Reihenfolge - wenn das Steuerbit im Zustand 0 ist, dann ist die Transformationsreihenfolge PQ und für 1 - QP. Die Quantenmechanik erlaubt es, dass sich der Steuerkanal nicht nur in den Zuständen 0 und 1 befindet, sondern auch in deren Überlagerung. Dann wird die Reihenfolge der Transformationen undefiniert und die gesamte Schaltung wird als Quantenschalter bezeichnet.
Ein Papier aus dem Jahr 2018 sagte theoretisch voraus, dass ein Quantenschalter verwendet werden könnte, um Informationen über stark depolarisierende Kanäle zu übertragen. Nun haben australische Wissenschaftler diese Idee entwickelt: Sie haben einen Quantenschalter zusammengebaut und berechnet, wie viele Informationen für zwei verschiedene Fälle übertragen werden können.
Abhängigkeit des Logarithmus der Holevo-Kapazität vom Grad der Kanaldepolarisation, wenn beide Kanäle verrauscht sind. Die blaue Linie ist der Fall einer bestimmten Ordnung, die schwarze Linie ist die Berechnung für die Überlagerung der Ordnung, die rote Linie ist die für den Quantenschalter erhaltene Kapazität
Abhängigkeit des Logarithmus der Holevo-Kapazität, wenn einer der Kanäle fixiert ist. Die schwarze Linie ist theoretische Vorhersagen, die rote Linie ist das Ergebnis des Experiments, die blaue Linie ist für die Überlagerung von Pfaden.
Durch einen völlig verrauschten Kanal, der jeden klassischen Zustand zerstört, gelang es den Wissenschaftlern, 0,0034 Informationsbits zu übertragen. Obwohl dieser Wert noch sehr klein erscheint, stellt er sich in diesem Fall im Vergleich zur theoretischen Grenze (Holevo-Grenze) von 0,0049 Bit als nicht so schlecht heraus.
Theoretisch ist es für den Fall, dass einer der Kanäle fest ist, möglich, Informationen verlustfrei zu übertragen, d. h. bei der Übertragung von 1 Bit 1 Bit zu empfangen. Experimentell gelang es den Wissenschaftlern, 0, 64 Bit zu übertragen, was bereits ausreicht, um die Schaltung in realen Installationen anzuwenden. Beispielsweise kann man auf Basis des Sagnac-Interferometers ein Quantendatentransferprotokoll implementieren, bei dem einer der Abschnitte die Atmosphäre durchquert. Durch die Überlagerung der Ordnung können Informationen verschlüsselt oder der räumliche Modus des Signals durch die Haut abgebildet werden.
Das Vorhandensein von Rauschen in Quantensystemen macht sie nicht weniger geeignet für reale Probleme oder sogar zum Nachweis der Überlegenheit gegenüber klassischen. Wissenschaftler von IBM haben beispielsweise gezeigt, dass selbst kleine verrauschte Quantencomputer klassische im Spiel des „magischen Quadrats“übertreffen können. Und Quantenkryptographie-Protokolle werden bereits in reale Stadtinformationsnetze eingeführt. Eines dieser Experimente ist dank Wissenschaftlern des russischen Quantenzentrums auch in Russland. Wie sie das gemacht haben, erfahren Sie in unserem Material "Pulling and Burning".
