量子通信新發現：使用不同順序的信道能增強網路通信能力

上圖：在（a）和（b）中，量子粒子以固定的順序通過兩個通道N1和N2。在（c）中，量子開關在（a）和（b）中創建了兩種構型的疊加態。

據美國物理學網4月9日消息稱，物理學家已經證明，以不同的順序來使用兩個量子信道可以增強通信網路傳輸信息的能力，即使這兩個信道完全相同的，該結論也成立。這一結果與使用相同經典信道的效應形成了鮮明的對比，即：以不同的順序使用經典信道，並不會產生任何差別或影響。物理學家丹尼爾·歐布勒（Daniel Ebler）、西娜·薩里克（Sina Salek）和朱力歐·克貝拉（Giulio Chiribella）於3月底在《物理評論快報》上發表了一篇論文，深入討論量子信道的這種不尋常特性以及量子通信的潛在優勢。

薩里克指出：「這是量子通訊的一個新模式。不僅僅是傳輸信息的載體是量子的，而且通信信道也能以量子的方式融合在一起。這種新模式可能讓人類在一般無法進行通信的情況下的交流與溝通變為了可能。」

信息理論是由克勞德·香農（Claude Shannon）開創的，最初形成之時屬於經典信道理論，但是近年來引發了量子香農理論。雖然量子通信網路是使用量子粒子和量子過程來對信息進行編碼和解碼，但是實際的信道仍然以經典的方式連接在一起的——以固定的順序相連。換句話說，這意味著通過網路中的量子粒子每次都會以相同的順序通過信道。

在這一新研究中，物理學家們探索研究了在不同順序的量子疊加態中連接兩個相同通道的可能性。為了實現這一點，他們使用了一種名為「量子開關」的操作方式——它以兩個相同的信道作為輸入端，然後創建一個新的信道——該新信道中兩個輸入信道的順序與一個控制系統綁定糾纏在一起。最後，他們證明了這兩種信道順序的最終量子疊加態可以用來在該網路中傳輸經典信息，而這在信道順序固定時是不可能的實現的。

在之前發表的另一篇論文中，研究人員解釋說，由於量子開關是因果非分離的，意味著操作不遵循一定的順序，但並不意味著它違反因果律（如未來事件導致過去事件發生，則違反因果規律），這是因為在量子開關中沒有明確的過去或未來，也沒有確定的誰先誰後。

物理學家們補充道，該實驗結果可能看起來有些矛盾，因為在普通的量子電路中，交換兩個相同信道的順序似乎並沒有任何影響。然而，量子信道在本質上是有雜訊的，因此每個信道都可以被分解成不同傳輸過程的隨機混合，而其中有一些過程並不能相互轉換。換句話說，使用不同順序的過程就會產生不同的傳輸結果，所以這些順序的差異會傳遞影響到信道本身。

這種潛在的隨機性為創建信息傳輸通道提供了另一種可能，該通道中的信息既不是單獨處於系統狀態中，也不是單獨處於控制狀態中，而是處於它們兩者之間的相關性之中。在實驗中，物理學家計算出了通過切換兩個相同信道所能傳輸的最大信息量，他們還預計如果增加這些信道的數量，傳遞更多的信息也是可能的。這些科學家還與奧地利維也納的菲利普·沃爾特（Philip Walther）教授的研究小組展開合作，目前正在計劃利用光子來實現他們的通信協議。「我們的目標是發展一套完整的通信理論，將香農的理論擴展延伸，從而包含不同傳輸線路能以量子的方式整合在一起的情況。」薩里克說。

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