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.
www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12669.html
Lascia un commento