超高密度コーディングの本当の利点は何ですか？

超高密度コーディングでは、2つのキュービットが絡み合った状態でイブによって準備されます。1つはアリスに送信され、もう1つはボブに送信されます。アリスは、古典的な2ビットの情報を（ボブに）送信したい人です。アリスは（のすなわち、1つの送信しようと古典ビットのどのペアによっては、、および）、アリスは量子ビットに特定の量子操作やゲートを適用し、その後、取得するために、他の操作を適用し、ボブに結果を送信します「古典的なメッセージ」。$00$$01$$10$$11$

超高密度コーディングが従来の通信技術よりも優れていることは、私には思えません。2つのキュービット（アリスに送信されたものとイブによってボブに送信されたもの）とビット（アリスによってボブに送信された2つ）、2つのキュービット（アリスによって受信され、もう1つはボブによって受信されたもの）とビット（2つAliceからBobに送信）が受信されます。さらに、ボブに送信されたキュービットに誰かがアクセスした場合、通信は安全ではないようです（とにかく）。

2ビットの情報をアリスからボブに送信するだけの場合と比較して、超高密度コーディングの本当の利点は何ですか？

TL; DR：合計で2つのキュビットを送信する必要がありますが、2つのビットが通信される瞬間には、1つのキュビットのみを送信する必要があります。送信される情報はマスクされますが、本当に安全ではありません。

超高密度コーディングプロトコルには2つの異なるフェーズがあります。フェーズ1では

• アリスとボブはベル状態準備します。これは2キュービット状態であり、アリスは1つのキュービットを保持し、ボブはもう1つのキュービットを保持します。$(|00\rangle+|11\rangle)/\sqrt{2}$

• アリスとボブは遠く離れた場所に移動し、それぞれがキュービットを取ります。エラーはないと想定しています。量子状態は時間とともに変化しません。

これはすべて、アリスがボブに送信したいメッセージを知るずっと前に、前もって起こりました。2番目のフェーズは後で、アリスがボブに送信する2ビットのメッセージを決定するときに発生します。

• 送信したいメッセージに応じて（可能な4つのオプションがあります）、アリスはまたはをキュービットに適用します。$\mathbb{I},X, Z$$Y$

• アリスはキュービットをボブに送ります。

• ボブはアリスのキュービットを受け取ると、2つのキュービットをまとめてベルベースで測定します。4つの異なる測定結果のそれぞれは、アリスが選択する必要があった4つのメッセージの1つに対応しています。

つまり、全体として、2つのキュービットを送信する必要があるということです。ただし、これらのキュービットの1つは、通信のずっと前で、メッセージの内容が決定される前に、ボブに事前に提供できます。したがって、2ビットの情報を送信したい瞬間（フェーズ2）には、1つのキュービット（アリスが持っているもの）を送信するだけで済みます。同じ日に期限がたくさんあることがわかっているようなものです。あなたがそれぞれに加えなければならないいくつかの土壇場の調整がある場合でも、絶対にギリギリまでこれらの仕事のそれぞれをやめるわけにはいきません。事前に作業を行うため、その直前の情報が利用可能になったときに、最小限のことを行う必要があります。

これは超高密度コーディングの背後にある考え方であり、量子情報の原則の1つを示しています。後で行うこととは関係なく、リソースを早期に提供でき、そのリソースを消費してより効率的な結果を得ることができます。瞬時に。

セキュリティに関心がある場合、上記のプロトコルでは、盗聴者はアリスがボブに送信したキュービットにしかアクセスできません。その場合、盗聴者はアリスがボブに送信した情報を知ることができません（そのキュービットの密度行列は、アリスがメッセージをエンコードするために何をしたかに関係なく、です）。ただし、盗聴者はそのキュービットにパウリ操作を適用することでメッセージをスクランブルすることができます。盗聴者はボブが受信するメッセージを認識しません（これは、アリスと盗聴者が行ったことの組み合わせであるため）が、ボブはアリスが意図したものを受信しません。$\mathbb{I}/2$

アリスが両方のキュービットを準備し、それらをボブに送信する（ちょうど異なるタイミングで）場合、盗聴者が最初のキュービットも傍受する可能性がある場合、盗聴者がボブを置き換えることができるため、プロトコルは完全に安全ではありません。受信者の認証はありません。

「量子状態を準備する」とはどういう意味ですか？

特定の次元のすべての量子状態、には関連する量子状態があります。この量子状態は、数学的に次元の複素ベクトルとして説明できます。理論家として、「量子状態を準備する」と言うとき、その量子システムを入れたいベクトルを指定することを意味します。$d$$d$

実際には、これはどのように行われますか？まず、量子システムを測定して、それがどのような状態にあるかを確認し、単一演算を実行して、それをある状態から希望する状態に変換します。

Superdenseコーディングを使用すると、「帯域幅を保存する」ことでネットワークの使用をスムーズにすることができます。使用率が低い場合は、EPRを半分にしてトラフィックを補充します。使用率が高い場合は、EPRの半分を書き込み、使用可能な容量を2倍にします。

超高密度コーディングは、帯域幅B（双方向）の双方向量子チャネルを、帯域幅2Bの一方向古典チャネルに変えることができます。逆方向を使用してEPRの半分を送信し、それを使用して順方向の超高密度コーディングを実行します。

超高密度コーディングは、高遅延帯域幅を低遅延帯域幅に変換できます。たとえば、帯域幅Bの2つの量子チャネルがあり、そのうちの1つが10ミリ秒ではなく1秒のレイテンシを持っている場合、高レイテンシチャネルを介してEPRの半分を配信し、それらを使用して超高密度コード化されている実際のデータに燃料を供給できます。低遅延チャネル。（EPRの半分の箱が付いたトラックが表示されるので、インターネットが高速になります。）

注意：これらのすべては、量子チャネルが古典的なチャネルの2倍よりも高価でないことを前提としています。