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Un modello quantistico per la trasmissione dei segnali
19 novembre 2013
Un nuovo studio dimostra che è possibile calcolare la capacità di un canale, un parametro fondamentale per la teoria dell'informazione, tenendo conto anche dei fenomeni quantistici, mentre finora i calcoli di uso pratico si dovevano limitare all'approssimazione classica. Il risultato potrebbe avere notevoli ricadute per le comunicazioni su fibra ottica e le tecniche crittografiche che sfruttano la fisica quantistica (red)
lescienze.it
La capacità di un canale - la porzione di banda dello spettro elettromagnetico che consente la trasmissione di segnali - può essere calcolata tenendo conto degli effetti quantistici, superando le limitazioni dell'approssimazione classica utilizzata finora: lo dimostra uno studio apparso sulla rivista “Nature” a firma di Graeme Smith e John A. Smolin del Watson Research Center dell'IBM a Yorktown Heights a New York. Le telecomunicazioni che viaggiano su fibra ottica e le tecniche crittografiche che sfruttano la fisica quantistica potrebbero essere le prime applicazioni a beneficiare del risultato.
Nella teoria dell'informazione, la capacità di un canale è definita come la massima quantità d'informazione che è possibile trasmettere in modo affidabile attraverso un canale. Si tratta di una proprietà fondamentale che si può calcolare con una semplice formula come funzione della larghezza di banda del canale, della potenza del segnale e del rapporto tra segnale e rumore.
Questa formula, su cui si basano le applicazioni pratiche attualmente in uso per i protocolli di comunicazione, fu elaborata alla fine degli anni quaranta del Novecento da Claude Shannon, l'iniziatore della moderna teoria dell'informazione, ma si tratta di un'approssimazione in cui vengono trascurati gli effetti quantistici.
In molti sistemi di comunicazione reali, tuttavia, questi effetti quantistici hanno un'influenza che non può essere ignorata, ma se vengono considerati nelle trattazioni teoriche, i modelli divengono inservibili ai fini pratici, se non per configurazioni molto semplici del network di canali di trasmissione.
In quest'ultimo studio, Smith e Smolin hanno risolto il problema di calcolare la capacità di canale tenendo conto anche dei fenomeni quantistici con un innovativo approccio in cui gli input e gli output del canale, che sono quantità continue, sono approssimati con una serie di stati discreti non sovrapposti: il risultato è un semplice modello facile da analizzare, ma in grado di riprodurre le importanti caratteristiche di un canale reale.
Gli autori mostrano le soluzioni esatte della formula per capacità di canale di un network nella sua configurazione più semplice, cioè quella che connette tra loro due punti: questo risultato che ha notevoli implicazioni non solo per le telecomunicazioni su fibra ottica ma anche per applicazioni molto più sofisticate come la distribuzione a chiave quantistica, un sistema che sfrutta la meccanica quantistica per condividere tra due soggetti una chiave generata in modo casuale, senza cui è impossibile decodificare un messaggio criptato.
I due autori, inoltre, sviluppano una teoria per le reti di comunicazione quantistica risolvendo con il nuovo modello alcuni rudimentali schemi che includono i canali di trasmissione ad accesso multiplo, che prevedono cioè diversi utenti in grado di condividere contemporaneamente le risorse del sistema di comunicazione.
Da un confronto delle previsioni del modello quantistico con quelle del modello classico, è risultato un buon accordo, entro un errore di pochi bit nel valore della capacità del canale. Anche per valori elevati del rapporto segnale/rumore, il modello riesce a descrivere la fisica rilevante dei network di telecomunicazione e al contempo fornire un metodo do calcolo utile per le applicazioni.
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12669.html
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Modello quantistico per trasmissione segnali
