量子超密编码的经典模拟和单量子系统的通信优势

量子超密编码的经典模拟和单量子系统的通信优势

时间戳记：9年2024月9日上午18:XNUMX

拉姆·克里希纳·帕特拉1, 萨希尔·戈帕尔克里希纳·奈克1, 埃德温·彼得·洛博2, 萨姆拉特·森1, 塔马尔·古哈3, 一些 Sankar Bhattacharya4, 米尔阿利穆丁1, 和马尼克·巴尼克1

1复杂系统物理系，SN Bose 国家基础科学中心，Block JD, Sector III, Salt Lake, Kolkata 700106, India。
2布鲁塞尔自由大学 (ULB) 定量信息实验室，Av. FD Roosevelt 50, 1050 布鲁塞尔, 比利时
3香港薄扶林道香港大学计算机科学系。
4格但斯克大学国际量子技术理论中心，Wita Stwosza 63, 80-308 Gdansk, 波兰。

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抽象

我们在发送者和接收者之间不存在任何缺乏量子或经典相关性的情况下分析通信通道的效用。为此，我们提出了一类两方通信游戏，并表明，如果从发送方到接收方采用无噪声的 1$ 位经典信道，则无法赢得游戏。有趣的是，如果通道辅以经典的共享随机性，则可以完美实现该目标。这类似于量子超密集编码现象的优点，其中预共享纠缠可以增强完美量子通信线路的通信效用。令人惊讶的是，我们表明，在没有任何经典共享随机性帮助的情况下，量子位通信可以实现这一目标，从而在最简单的通信场景中建立一种新颖的量子优势。为了追求这种优势的更深层次的起源，我们表明，有利的量子策略必须在发送方的编码步骤和接收方的解码步骤中调用量子干扰。我们还研究了由对称多边形状态空间描述的一类非经典玩具系统的通信效用。我们提出的通信任务既不能通过 1 美元比特的经典通信也不能通过多边形系统的通信来实现，而 1 美元量子比特通信则产生了一个完美的策略，建立了相对于它们的量子优势。为此，我们证明了量子优势对于不完美的编码解码具有鲁棒性，使得协议可以使用目前可用的量子技术来实现。

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特色图片：游戏$mathbb{H}^1(gamma_2,gamma_3,gamma_1)$的参数空间（$gamma_3+gamma_1+gamma_2=3$平面）。橙色阴影区域是非物理游戏，因为从那里选择的参数值无法满足条件 ($mathrm{h}1^prime)$ 和 ($mathrm{h}2^prime)$。绿色阴影区域（多胞体）是所有可以通过具有 1 美元位共享随机性的相关策略获胜的游戏。绿色多胞体的边界，即$gamma_i=0~mbox{and}~2/3,~mbox{for}~iin{1,2,3}$，是唯一可以通过经典混合策略获胜的游戏。

热门摘要

在各种日常生活经历中，两个事件之间的直接因果关系可以通过影响另外两个事件的第三个事件来放大。类似地，在信息传输领域，量子超密集编码是一个开创性的例子，其中共享的量子相关性，没有任何通信能力，增强了量子信道的经典通信效率。本研究说明了涉及经典相关性和经典沟通渠道的并行发生。具体来说，它提供了一个通信任务的示例，该任务仅使用一位经典通信仍然难以捉摸，但当位通道借助经典相关性时可以完美完成。有趣的是，最佳任务性能是通过两级量子系统的传输实现的，无需任何共享相关性的帮助。这些发现一方面建立了一种新颖的量子优势，另一方面强调需要重新评估各种经典通信任务中无成本经典相关共享的假设。

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