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信息传递的终极限制“宇宙带宽”在理论上可倍增

来源:CNBETA  责任编辑:小易  

信息在宇宙中的传播速度是有极限的,就像宇宙中其他物体的移动速度有极限一样。这是一条定律。然而,一个量子物理学家团队找到了使这一极限倍增的方法。在正常情况下,信息传递的终极限制——宇宙的带宽——是每个基本粒子一个比特,速度不高于光速。这就是“经典宇宙”,即量子物理学尚未参与其中时事物的行为方式。

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以下便是这一极限的由来:如果你想要将一条由“1”或“0”组成的信息发送给1光年以外的朋友,而你只有1个光子,那你可以将单独一个字节的二进制数字编码到光子里,然后以光速发送给你的朋友。这位朋友将在一年后收到这条信息。如果他想要用那个光子将一条二进制信息回复给你,那你就需要再等上一年。到时候如果你想要发送更多的信息,那就要用到更多的光子了。

然而,在发表于2月8日《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊的一篇论文中,两位量子物理学家指出,在理论上可以使宇宙的带宽增加为原来的两倍。

在这篇题名为《单量子粒子的双向通讯》(Two-Way Communication with a Single Quantum Particle)的论文中,研究人员所描述的技术并非是让你用1个粒子来传送2个字节的信息,而是让你和你的朋友利用同一个粒子,在同一时间互相发送1字节的信息。

研究人员写道,如果两个人想要中止信息传送,那他们就必须将该粒子放置在“不同空间位置的叠加”中。研究作者之一、奥地利维也纳大学的Flavio Del Santo说:“这通常描述为同一时间出现在两个地方。”现实情况更为复杂一点,但想象两个地方同时出现一个粒子可以帮助你更快地理解这一过程。

通过这种方式,爱丽丝和鲍勃(Del Santo和另一位作者、来自奥地利量子光学和量子通讯研究所的Borivoje Daki?给论文中假设的通讯者起的名字)就可以在通讯最开始的时候,各自拥有同一个粒子。Del Santo指出,每一位通讯者都可以将单比特的信息(1或0)编码到粒子中。

他们的通讯速度极限依然是光速。当爱丽丝编码“1”到粒子中时,鲍勃并不会立即看到。爱丽丝依然需要将粒子返回给鲍勃。但是,此时情况很特殊,因为爱丽丝和鲍勃可以各自编码1字节信息到粒子中,并将粒子同时发送给对方。

当粒子到达时,爱丽丝和鲍勃所收到的结果将是他们自己编码的信息加上对方输入的信息。如果爱丽丝编码了“0”,而鲍勃编码了“1”,那他们将各自看到一个“1”。但是,由于爱丽丝知道自己输入了“0”,因此她会推断出鲍勃输入了“1”;而鲍勃知道自己输入了“1”,因此他会推断出爱丽丝输入的是“0”。同样的,如果两个人输入的都是“1”或“0”,那他们收到的结果将都是“0”。

在每种情况下,两位信息接收者都将知道对方发出的信息,而他们可以比原先两个人用1个粒子传递信息的情况节省一半的时间。于是,信息带宽变成了原来的两倍。

真实世界也可以

这篇发表于《物理评论快报》的论文还只是纯理论,但Del Santo和Daki?与维也纳大学的实验室团队合作,发现该方法也能在现实世界中发挥作用。这部分研究结果还没有经过同行评议,只发表在科学预出版平台arXiv。

研究人员利用分光器将光子分隔为空间叠加状态,即它们在某种程度上是同时处于两个地方。通过这一方法,研究人员实现了前面论文中提到的通讯方法:将字节编码入分离的光子,使它们又混合到一起,然后解读接收到的结果。

研究人员还发现,只需一个小小的改进,这一技术就可以用来确保通讯的安全。如果一位通讯者,比如爱丽丝,输入了一串随机字节,而鲍勃解码出了正确的相关信息,那么,在不知道爱丽丝所编码信息的前提下,窃听者永远无法知道鲍勃发送给爱丽丝的信息。

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