量子情報科学：厳密に解ける量子通信モデル

情報理論は、ノイズが存在する通信システムの性能に関する究極的な限界を定める。物理的な通信デバイスの正確なモデルには量子効果を含めるべきであるが、これらの効果を入れるとこの理論は手に負えなくなることが多い。その結果として、ガウスノイズが存在する電磁導波路で2人のユーザーをつないだ場合でさえ、通信容量、すなわち実現し得る最大データ伝送速度は明らかになっていない。今回我々は、電磁場を完全に量子的に取り扱いながら、厳密に解くことのできる通信モデルを示す。このモデルを用いて、ノイズが存在する量子チャネルの全てのポイント・ツー・ポイント容量に関して明確な表式を得た。この表式は量子鍵配送やファイバー光通信と関係がある。さらに、放送チャネルや多重アクセスチャネルを含むいくつかの初歩的なモデルを解くことにより、量子通信ネットワークの理論も開発した。我々のモデルによる予測結果は、従来のガウスモデルとの比較において、全ての場合で数ビット以内に一致した。シグナル対ノイズ比が高い場合、我々の単純なモデルは厳密解に従いながらも、関連する物理的特性を捉えている。

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