Was sind die wirklichen Vorteile der Superdense-Codierung?

Bei der Superdense-Codierung werden zwei Qubits von Eve in einem verschränkten Zustand hergestellt. einer von ihnen wird an Alice und der andere an Bob geschickt. Alice ist diejenige, die (an Bob) zwei klassische Informationen senden möchte. Abhängig davon, welches Paar klassischer Bits Alice senden möchte (dh eines von , 01 , 10 und 11 ), wendet Alice eine bestimmte Quantenoperation oder ein bestimmtes Gate auf ihr Qubit an und sendet das Ergebnis an Bob, der dann andere Operationen zum Abrufen anwendet die "klassische Botschaft".$00$$01$$10$$11$

Es scheint mir nicht, dass Superdense-Codierung einen Vorteil gegenüber klassischen Kommunikationstechniken bietet. Es werden zwei Qubits (das eine an Alice und das eine von Eve an Bob) und Bits (die beiden von Alice an Bob) gesendet, zwei Qubits (eines wird von Alice und das andere von Bob empfangen) und Bits (die beiden) von Alice an Bob gesendet) werden empfangen. Außerdem habe ich gelesen, dass wenn jemand Zugriff auf das an Bob gesendete Qubit hat, die Kommunikation (sowieso) nicht sicher zu sein scheint.

Was sind die wirklichen Vorteile der Superdense-Codierung im Vergleich zum Senden von zwei Informationsbits von Alice an Bob?

TL; DR: Während insgesamt zwei Qubits übertragen werden müssen, muss in dem Moment, in dem zwei Bits übertragen werden sollen, nur ein Qubit gesendet werden. Die gesendeten Informationen sind maskiert, aber nicht wirklich sicher.

Ein Superdense-Codierungsprotokoll besteht aus zwei unterschiedlichen Phasen. In Phase 1

• $(|00\rangle+|11\rangle)/\sqrt{2}$

• Alice und Bob reisen zu entfernten Orten und nehmen jeweils ihr Qubit. Wir gehen davon aus, dass es keine Fehler gibt; Der Quantenzustand ändert sich nicht mit der Zeit.

Dies alles geschah im Voraus, lange bevor Alice weiß, welche Nachricht sie an Bob senden möchte. Die zweite Phase tritt später auf, wenn Alice entscheidet, welche Zwei-Bit-Nachricht sie an Bob senden möchte.

• $\mathbb{I},X, Z$$Y$

• Alice schickt ihr Qubit an Bob.

• Wenn Bob Alices Qubit erhält, bringt er die beiden Qubits zusammen und misst auf der Bell-Basis. Jedes der vier verschiedenen möglichen Messergebnisse entspricht einer der 4 Nachrichten, aus denen Alice auswählen musste.

Insgesamt haben Sie also Recht, dass zwei Qubits gesendet werden müssen. Eines dieser Qubits kann Bob jedoch lange vor der Kommunikation und bevor der Inhalt der Nachricht festgelegt wurde, im Voraus zur Verfügung gestellt werden. In dem Moment, in dem Sie zwei Informationsbits senden möchten (Phase 2), müssen Sie also nur ein Qubit senden (das, das Alice hat). Es ist so, als ob Sie wissen, dass Sie viele Fristen haben, die alle am selben Tag fällig sind. Sie verlassen jeden dieser Jobs erst in letzter Minute, selbst wenn Sie in letzter Minute einige Anpassungen vornehmen müssen. Sie arbeiten im Voraus an den Dingen, sodass Sie, wenn diese Last-Minute-Informationen verfügbar sind, das Minimum tun müssen.

Dies ist die Idee hinter der Superdense-Codierung und veranschaulicht eines der Prinzipien der Quanteninformation: Sie können eine Ressource zu einem früheren Zeitpunkt bereitstellen, unabhängig davon, was später getan wird, und diese Ressource kann verwendet werden, um ein effizienteres Ergebnis zu erzielen im Augenblick.

$\mathbb{I}/2$

Wenn Alice beide Qubits vorbereitet und an Bob sendet (nur zu unterschiedlichen Zeiten), damit ein Lauscher auch das erste Qubit abfangen kann, ist das Protokoll völlig unsicher, da der Lauscher Bob einfach ersetzen kann. Es erfolgt keine Authentifizierung des Empfängers.

Was bedeutet es, "einen Quantenzustand vorzubereiten"?

$d$$d$

Wie wird das in der Praxis gemacht? Sie messen zuerst Ihr Quantensystem, um herauszufinden, in welchem ​​Zustand es sich bereits befindet, und führen eine einheitliche Operation durch, um es von dem, was es ist, in das umzuwandeln, was Sie möchten.

Superdense-Codierung kann verwendet werden, um die Netzwerkauslastung durch " Speichern der Bandbreite " zu glätten . Füllen Sie bei geringer Auslastung den Datenverkehr mit EPR-Hälften auf. Brennen Sie bei hoher Auslastung die EPR-Hälften, um die verfügbare Kapazität zu verdoppeln.

Die Superdense-Codierung kann einen Zweiwege-Quantenkanal mit Bandbreite B (in beide Richtungen) in einen klassischen Einwegkanal mit Bandbreite 2B verwandeln . Verwenden Sie einfach die umgekehrte Richtung, um EPR-Hälften zu senden, die Sie dann verwenden, um die Superdense-Codierung in Vorwärtsrichtung zu tanken.

Superdense-Codierung kann Bandbreite mit hoher Latenz in Bandbreite mit niedriger Latenz umwandeln. Wenn Sie beispielsweise zwei Quantenkanäle mit Bandbreite B haben, aber einer von ihnen eine Latenz von 1 Sekunde anstelle von 10 Millisekunden hat, können Sie EPR-Hälften über den Kanal mit hoher Latenz liefern und sie verwenden, um die tatsächlichen Daten zu tanken, die überdichten Kanal mit geringer Latenz. (Stellen Sie sich einen LKW mit einer Schachtel EPR-Hälften vor, damit Ihr Internet schneller wird.)

Vorsichtsmaßnahme: All dies setzt voraus, dass ein Quantenkanal weniger als doppelt so teuer ist wie ein klassischer Kanal, was finanziell möglicherweise nie der Fall ist.