Teoria da informação, que foi desenvolvido por Claude Shannon a partir do final dos anos 1940, trata de questões como a rapidez com que as informações podem ser enviadas por um canal de comunicação ruidoso. Ambos os portadores de informações (por exemplo, fótons) e o canal (por exemplo, cabo de fibra óptica) são considerados sistemas clássicos, com bem definido, estados perfeitamente distinguíveis.

Nas últimas duas décadas, os físicos têm desenvolvido uma versão quântica da teoria da informação em que o estado interno de cada portador de informação tem propriedades quânticas, como a superposição - a capacidade de ocupar dois ou mais estados clássicos de uma vez. Mas as linhas de transmissão geralmente ainda são consideradas clássicas, para que o caminho percorrido pelas mensagens no espaço seja sempre bem definido.

Agora em um novo jornal, os físicos Giulio Chiribella e Hlér Kristjánsson da Universidade de Oxford e da Universidade de Hong Kong propuseram um segundo nível de quantização, em que tanto os portadores de informação quanto os canais podem estar em superposição quântica. Neste novo paradigma de comunicação, os portadores de informações podem viajar por vários 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 quântica, "Chiribella disse Phys.org . "Ele abre novos caminhos para as redes de comunicação quântica e para uma futura internet quântica, onde os dados podem ser enviados de um emissor para um receptor por meio de vários servidores quânticos. Explorando a interferência de diferentes caminhos de comunicação, será possível se comunicar com mais eficiência e segurança. 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 canal pode ser observado no famoso experimento de dupla fenda, em que um único fóton parece passar por duas fendas ao mesmo tempo. 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 em si mesmo, como uma onda, depois de viajar simultaneamente por ambas as fendas ao longo de dois caminhos diferentes.

Quando um portador de informações tem permissão para viajar por dois canais de comunicação simultaneamente, pode oferecer vantagens como redução do ruído (devido à interferência do ruído em diferentes caminhos) e maior capacidade do canal. Essas vantagens foram demonstradas em experimentos recentes com fótons.

No novo jornal, 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 pode ser previsto quando ele é 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. De outra forma, o próprio caminho se torna parte da mensagem, e o sistema pode ser descrito usando a estrutura quântica convencional.

Ao enfrentar esses desafios, os físicos formularam um modelo de comunicação quântica 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. Contra-intuitivamente, os físicos mostraram que, para certos tipos de ruído, a superposição de canais, junto com a capacidade de alternar um canal consigo mesmo, pode ser usado para remover completamente todo o ruído. Isso abre a possibilidade de obter uma comunicação quântica perfeita em um canal ruidoso.

"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. Agora estamos explorando o poder das correlações entre eles. Se duas trajetórias visitarem a mesma região, o processo vivenciado pelo portador de informação na primeira trajetória pode ser correlacionado com o processo vivenciado na segunda trajetória. Aproveitando essas correlações de maneira inteligente, é possível potencializar o desempenho da comunicação além do que pode ser feito com a superposição de canais independentes. Obter essas correlações nos dará novos insights sobre as maneiras peculiares pelas quais as informações quânticas se propagam no espaço e no tempo. "

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