1.

上世紀(jì)40年代末，克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）根據(jù)經(jīng)典物理定律建立了數(shù)據(jù)傳輸模型，發(fā)展出了信息論。對(duì)于建立在經(jīng)典體系之上的香農(nóng)信息論來(lái)說(shuō)，無(wú)論是信息載體（如光子）還是通信信道本身（如光纜），都被視作是經(jīng)典系統(tǒng)。它們具有定義明確、完全可區(qū)分的狀態(tài)。

在過(guò)去的20年多里，物理學(xué)家一直想要發(fā)展出信息論的量子版本，以探索當(dāng)信息載體是量子系統(tǒng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么新的可能性。信息論往量子領(lǐng)域的延伸被稱(chēng)為量子香農(nóng)理論，在傳統(tǒng)的量子香農(nóng)理論中，每個(gè)信息載體的內(nèi)部狀態(tài)都具有量子特性，例如疊加（可以同時(shí)占據(jù)兩個(gè)或多個(gè)經(jīng)典態(tài)），但我們?nèi)约俣ㄋ鼈兊膫鬏斁€(xiàn)是經(jīng)典的，也就是說(shuō)信息在空間中的軌跡總是有著良好的定義的。

因此，從經(jīng)典到量子的轉(zhuǎn)變其實(shí)是不完全的。在一篇新的論文中，牛津大學(xué)和香港大學(xué)的物理學(xué)家Giulio Chiribella和Hler Kristjansson提出了一個(gè)新的概念，即二級(jí)量子化，這種框架下的信息載體和信道都可以處于量子疊加態(tài)下，也就是說(shuō)無(wú)論是信息本身還是它在時(shí)空中的傳播，都需要用量子力學(xué)才能處理。在這種新的通信模式中，信息載體可以同時(shí)通過(guò)多個(gè)信道進(jìn)行傳輸。

2.

我們可以用著名的雙縫實(shí)驗(yàn)來(lái)展示信道疊加這一現(xiàn)象。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)光子可以同時(shí)通過(guò)兩個(gè)縫隙，即使通過(guò)縫隙的光子只有一個(gè)，也能在探測(cè)器上生成干涉圖樣。對(duì)這種干涉圖樣的最好解釋就是光子像波一樣，沿著兩條不同的路徑同時(shí)穿過(guò)了兩條狹縫，然后自我干涉形成了干涉圖樣。當(dāng)一個(gè)信息載體可以同時(shí)通過(guò)兩個(gè)通信信道時(shí)，就能帶來(lái)諸如降低噪聲（由在不同路徑的噪聲之間的相互干涉所造成）以及更高的信道容量等優(yōu)點(diǎn)。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員在將信道的疊加納入信息的量子理論中時(shí)遇到了許多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何用組合的方式描述信道的疊加，這樣就可以預(yù)測(cè)當(dāng)一個(gè)信道與其他信道結(jié)合使用時(shí)會(huì)有怎樣的行為。第二個(gè)挑戰(zhàn)是他們必須將信息載體內(nèi)部狀態(tài)的疊加與路徑的疊加明確地分開(kāi)，否則路徑本身也成為信息的一部分，然后系統(tǒng)就可以用傳統(tǒng)的量子框架來(lái)描述。

○ N個(gè)信道的疊加使得信息載體可以同時(shí)通過(guò)多個(gè)信道。