[论文解读] Quantum communication in a superposition of causal orders
本文表明将两个带噪声的去相位信道置于量子顺序的叠加中，可以实现具前导信号的无噪声量子通信，并且在某些参数区间内能够超过各信道的单独量子容量。
Quantum mechanics allows for situations where the relative order between two processes is entangled with a quantum degree of freedom. Here we show that such entanglement can enhance the ability to transmit quantum information over noisy communication channels. We consider two completely dephasing channels, which in normal conditions are unable to transmit any quantum information. We show that, when the two channels are traversed in an indefinite order, a quantum bit sent through them has a 25% probability to reach the receiver without any error. For partially dephasing channels, a similar advantage takes place deterministically: the amount of quantum information that can travel through two channels in a superposition of orders can be larger than the amount of quantum information that can travel through each channel individually.
研究动机与目标
- 推动将量子香农理论扩展到信道的顺序成为量子自由度的情境。
- 研究因果顺序的叠加是否可以增强通过带噪声信道的量子信息传输。
- 证明对完全去相位信道的具前导信号无噪声传输，并识别具有确定性容量优势的参数区间。）
提出的方法
- 将作用于态 ρ 的两个量子信道 E 和 F 建模，其 Kraus 表示为 {Ei} 和 {Fj}。
- 应用量子 SWITCH 以得到一个高阶信道 Sω(E,F)，其 Kraus 算子在给定顺序量子比特态 ω 的条件下编码两种可能的顺序 EiFj 和 FjEi。
- 对于 ω = |+><+| 计算输出态，并分析对角項与非对角項，以在测量顺序量子比特时显示具前导信号的无噪声传输。
- 评估已切换信道的相干信息 Q(·)，以比较其量子容量与 E 和 F 的容量。
- 使用降解信道容量 Q(E)=1−H2(p) 和 Q(F)=1−H2(q)，并在简单参数选择下推导切换信道容量的表达式（例如 p=q）。
- 将发现与关于因果不可分离性和量子 SWITCH 的已有文献联系起来。
实验结果
研究问题
- RQ1将两个带噪声的量子信道置于因果顺序的叠加中，是否相对于确定性因果顺序可以增加传输的量子信息量？
- RQ2在固定顺序使用时完全去相位的信道，是否可能通过具前导信号的无噪声量子通信？
- RQ3在何种参数区间下，切换信道的相干信息超过单独信道的容量？
- RQ4量子 SWITCH 如何影响量子通信的瓶颈不等式？
- RQ5因果不可分离性与实际量子通信协议（如 BB84、E91）之间的关系是什么？
主要发现
- 两个完全去相位的信道在量子 SWITCH 下在 p=q=1/2 时产生 25% 的具前导信号无噪声传输概率。
- 对于部分去相位信道，切换配置可以确定性地得到比任一单独信道更大的量子容量。
- 切换信道的相干信息在 p 值从约 0.62 开始时可以超过单个信道的容量，指示在该区间存在不确定因果顺序的明确优势。
- 该开关可以违反瓶颈不等式，使切换信道的容量大于任一固定顺序组合的容量。
- 这种优势来自于在叠加顺序下穿越的两个基本过程之间的相关性，即使每个信道单独都阻塞量子信息也能实现信息传输。
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