量子信道超可加性分析

徐恪

【摘要】? ? 實驗結果顯示，相干信息零狀態，隨著量子信道使用次數增加，容量逐漸變成正值。跟普通信道可加性不一樣，量子信道具備超可加性統計學特征，也就是所謂“0+0=1”。超可加性實驗，從信道容量角度證明，相干信息容易受到設計及裝置的影響，難以避免隱變量。顯而易見，量子信道存在無法觀測殘余信息，處于隱藏或背景狀態，經過進一步確認，有機會成為另一個版本的微波背景輻射。

【關鍵詞】? ? 超可加性? ? 隱變量? ? 微波背景輻射

引言

量子表示物理量無法繼續分割基本單位，不針對任何單一粒子，融入不少數學概念進行物理學研究，描述不確定性離散變化，定義量子化（quantization）其實更合適。以量子科學的一系列學術概念作為支撐點，用發展的態度致敬經典理論，可以歸納出來一個符合客觀現實的基本邏輯關系。量子關聯（correlations）包含量子失諧（discord），量子失諧包含量子糾纏（entanglement）。只有一部分量子糾纏可以控制，只有一部分可以控制量子糾纏表現非定域性。除了量子糾纏甚至量子失諧等量子關聯，仍然存在非常廣闊的量子化世界。針對量子信道超可加性（superadditivity）[1]若干研究，有助于發現量子化核心本質，進一步推動信息與通信的未來技術探索。

一、零容量信道實驗

實驗結果顯示[2]，相干（coherent）信息零狀態，隨著量子信道使用次數增加，容量逐漸變成正值。跟普通信道可加性不一樣，量子信道具備超可加性統計學特征，也就是所謂“0+0=1”。這個量子現象，通過一種特殊的設計及裝置（dephrasure）[3]可以實現直接觀測。多光子糾纏源，折疊信道，同樣的補充信道及遠程狀態，層析成像儀器。采用量子計算，信道容量[4]代表通過糾錯信息數量多少，相干信息類似交互信息。一般認為，由于缺乏超可加性基礎理論及實驗工具，編碼輸入疑似存在尚未發現關聯，糾纏著量子信道，導致突破數學處理方法界線。

二、超可加性統計學特征

作為未解之謎，既應該優化觀測，更應該優化判斷。增加使用次數信道容量變成正值，其實包含著一個簡單的邏輯。超可加性實驗，從信道容量角度證明，相干信息容易受到設計及裝置的影響，難以避免隱變量（hidden-variable）[5]。顯而易見，量子信道存在無法觀測殘余信息，處于隱藏或背景狀態，經過進一步確認，有機會成為另一個版本的微波背景輻射（cosmic microwave background）[6]。這種殘余信息，超越現階段量子科學相關實驗的設計及裝置，需要量子繼續分割絕對微觀層級實現直接觀測。殘余信息匯聚堆積，數量規模累計達到量子觀測允許條件能夠間接表現出來。跟殘余信息數量規模不存在累計的單次復用信道進行比較，多次復用信道顯示超可加性統計學特征。框架式數字化描述“0.5+0.5=1.0”，如果觀測到整數，沒有觀測到小數，偶然列入“0+0=1”超可加性，以此類推。

三、基本結構單位

任何神秘玄幻超自然現象，源于科學領域認識事物的不完整或不充分。局限于量子理論及觀測表象，做不到真正詮釋零容量信道超可加性。人類對于自然界的觀測范圍不足5%，超過95%等待著探索發現。宇宙的結構[7]，約68.3%暗能量、約26.8%暗物質、約4.4%輕子、約0.5%重子、輻射等其他成分需要萬分位統計。按這一順序排列，正向連接趨于集合，逆向連接趨于分割。暗物質和暗能量無法觀測，屬于狹義微觀，融入普通世界唯一途徑是成為物質和能量的基本結構單位。重子和輕子可以觀測，屬于廣義宏觀，物質和能量的普通世界，允許互相轉化。之所以暗物質和暗能量不吸收普通世界的物質和能量，估計是環境影響偶然導致單向隔離。仿佛螞蟻巢穴，猴子肯定進不去，就算猴子吃掉螞蟻依然如此。劃一個重點，超可加性殘余信息到底是什么，這種非平衡復雜性肯定不會是純粹的統計學特征，暫且叫做基本結構單位。

四、新版定義及延伸描述

科學晴空總會飄著兩朵烏云，一朵來自宏觀，一朵來自微觀。進入21世紀，暗物質和暗能量成為宏觀的一朵[8]，基因轉化密碼及非平衡復雜性生物特權成為微觀的一朵[9]。兩項不同的科學課題，指向相同的客觀現實或學術概念，被人類冷落一個世紀的以太（ether）。每當遭遇未解之謎，經常想起來以太，賦予新版定義及延伸描述。這種傳統習慣，始于亞里士多德，持續2300多年。當代科學定義暗物質和暗能量的方法，沒發現DNA時候定義遺傳物質的方法，這些與古希臘人創造以太如出一轍。以太理論其實非常樸素，具體描述比較容易理解，例如不存在超距作用也就是定域論，例如不存在絕對真空也就是實在論。追根溯源，以太是人類最早用來定義客觀世界的基本結構單位，即使換一輪名稱，改變不了這樣的實質。特別有趣的事，環境及偶然的影響[10]，不僅是量子信道的課題，同樣是生命進化的課題，實際顯示一種非平衡復雜性。

五、 結論

通過分析量子信道超可加性，嘗試建立一種新的邏輯，填充宏觀與微觀之間難以逾越的鴻溝。對于量子科學及信息與通信等相關技術，具備關鍵性的參考作用。

致謝

徐宗武高級工程師和陶崇堯高級工程師，謹此致以誠摯的感謝！

參? 考? 文? 獻

[1] Smith G， Yard J. Quantum Communication with Zero-Capacity Channels [J]. Science， 2008， 321： 1812-1815.

[2] Cubitt T， Elkouss D， Matthews W， et al. Unbounded Number of Channeluses May be Required to Detect Quantum Capacity [J]. Nature Communications， 2015， 6： 6739.

[3] Leditzky F， Leung D， Smith G. Dephrasure Channel and Superadditivity of Coherent Information [J]. Physical Review Letters， 2018， 121： 160501.

[4] Fukui K， Tomita A， Okamoto A， et al. High-Threshold Fault-Tolerant Quantum Computation with Ana-log Quantum Error Correction [J]. Physical Review， 2017， 8： 021054.

[5] Einstein A， Podolsky B， Rosen N. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete？ [J]. Physical Review， 1935， 47： 777-780.

[6] Penzias A A， Wilson R W. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s [J]. Astrophysical Journal Letters， 1965， 142： 419-421.

[7] Peebles P J E. Seeing Cosmology Grow [J]. Annual Review of Astronomy and Astrophysics， 2012， 50： 1-28.

[8] Perlmutter S， Aldering G， Goldhaber G， et al. Measurement of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae [J]. Astrophysical Journal， 1999， 517： 565-586.

[9] Cotton R G H， Appelbe W， Auerbach A D， et al. Recommendations of the 2006 Human Variome Project Meeting [J]. Nature Genetics， 2007， 39： 433-436.

[10] Ball P. Schr?dingers Cat Among Biologys Pigeons： 75 Years of What Is Life？ [J]. Nature， 2018， 560： 548-550.