Квантова теорія інформації - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Квантова теорія інформації

КВА́НТОВА ТЕО́РІЯ ІНФОРМА́ЦІЇ – когнітивна дисципліна на межі фізики, математики й інформатики, що вивчає процеси передавання та оброблення інформації з урахуванням квантової природи її носія, а також необхідні для цього фізичні процеси і пристрої. Розділи К. т. і.: квант. переплутаність, телепортація квант. станів, квант. канали, квантова криптографія, корекція помилок, квант. комп’ютер та квант. обчислення. Вперше ідею про можливість використання квант. властивостей носіїв інформації для прискорення процесу обчислень висловив у 1980-х рр. амер. фізик Р.-Ф. Фейнман. Він запропонував використати складність квант. систем, яка унеможливлює їхній опис за допомогою класич. комп’ютерів, для пришвидшення оброблення класич. інформації. Важливе значення для створення К. т. і. мали праці, опублік. у 2-й пол. 1980-х – на поч. 90-х рр., англ. фізика Д. Дойча й амер. фахівців у галузі інформатики Е. Бернштейна та В.-В. Вазірані, в яких на рівні принципів доведено універсальність квант. машини Тьюрінґа (матем. поняття абстракт. еквівалента алгоритму, або обчислюв. функції, яке увів 1936–37 англ. математик А.-М. Тьюрінґ), тобто її здатність виконувати довіл. унітарне перетворення за допомогою обмеженого набору логіч. операцій. Згодом амер. вчені П. Шор і Л. Ґровер розробили алгоритми, які повністю використовують квант. інтерференцію та переплутаність для суттєвого (порівняно з класич.) прискорення обчислень. Знач. прогрес у К. т. і. наприкінці 20 – на поч. 21 ст. пов’язаний з розвитком методів і технологій квантової фізики, які дозволили маніпулювати окремими мікроскопіч. частками, створювати та контролювати когерентні квант. стани в макроскопіч. системах (Бозе–Айнштайнівські конденсати атомів, надпровідні системи тощо). Це призвело до експерим. реалізації кубітів (квант. носіїв інформації) на різних системах і демонстрації можливості виконання осн. квант. алгоритмів. Осн. поняттям К. т. і. є поняття про переплутаність квант. станів. Вона виявляється у кореляції виміряних станів двох (або більше) квант. систем, причому ці кореляції не залежать від відстані між окремими системами. Переплутані стани не мають аналогів у класич. фізиці та вважаються гол. ресурсом, який забезпечує можливість передавання квант. інформації (телепортації станів) і пришвидшеного її оброблення (квант. паралелізм). Квант. телепортація використовує квант. кореляції для передавання в ін. точку простору невідомого квант. стану без переміщення носія інформації. Реалізація квант. алгоритмів вимагає виконання т. зв. непримітив. операцій, унаслідок яких створюються переплутані стани. Логічні операції над переплутаними станами дозволяють за невелику кількість кроків обробляти великі масиви даних і в такий спосіб забезпечувати паралельність обчислень. Переплутаність використовують і під час виправлення (корекції) помилок при квант. обчисленнях. Оскільки вимірювання (зчитування інформації) руйнує квант. стан, то детектування помилки здійснюють за допомогою квант. кореляцій, що виникають між осн. і допоміж. кубітом. Експерим. перевірка існування переплутаних станів призвела до виникнення квант. криптографії. Її становлення пов’язують з іменами амер. фізика Ч. Беннетта, канад. фізика Ж. Брассарда та польс. і амер. фізика А.-К. Екерта (йому належить одна з перших праць у цій галузі). У криптографії квант. кореляції застосовують як для розподілу секрет. інформації між двома легітим. користувачами, так і в теорії, для аналізу захищеності протоколів відносно атак зловмисників. Визначення міри переплутаності для систем із більш ніж двома складовими, а також для зашумлених систем, що знаходяться в т. зв. мішаних станах, є окремою задачею К. т. і. Фундам. розроблення в цьому напрямі належать школі польс. фізиків Городецьких. Існує думка, що визначення принцип. обмежень на переплутаність, яку можна вивільнити для оброблення інформації, дасть змогу сформулювати постулати К. т. і. за аналогіями з постулатами термодинаміки. Нині осн. проблемою К. т. і. вважається подолання т. зв. квант. прірви – перехід від вже реаліз. комп’ютерів з 5–10 кубітами до машини, яка може створювати суперпозиц. та переплутані стани 1000 кубітів і виконувати (до розпаду стану) не менше 109 операцій. Дослідж. з К. т. і. проводять в низці ун-тів і дослідниц. лаб. світу. У Каліфорній. ін-ті технологій (США) функціонує окремий Ін-т К. т. і. Провідні вчені у цій галузі працюють в ун-тах і ін-тах Німеччини (напр., в Ун-ті Ганновера) та Нідерландів, компаніях IBM, Google (обидві – США). На теренах колиш. СРСР проблеми К. т. і. активно вивчають в Білорусі (С. Кілін) та РФ (К. Валієв). В Україні квант. інформатикою вперше почали займатися у Фіз.-тех. ін-ті низьких т-р НАНУ (Харків; В. Шнирков, О. Омельянчук, С. Шевченко), де розроблено кубіт на основі Джозефсонів. контактів із високим часом декогеренції. Розроблення в галузі квант. алгоритмів виконано в Ін-ті проблем матем. машин і систем НАНУ (Київ; А. Бєляєв). К. т. і. також розвивають науковці Ін-ту фізики НАНУ (А. Семенов), Нац. авіац. ун-ту (С. Гнатюк; обидва – Київ), Одес. академії зв’язку (Є. Василіу). Університет. курс із К. т. і. вперше розробив Дж. Прескіл із Каліфорній. ін-ту технологій. Нині такі курси викладають майже в кожному ун-ті Європи та США. В Україні курс квант. інформатики започатковано у Фіз.-тех. ін-ті Нац. тех. ун-ту України «Київ. політех. ін-т» (О. Гомонай), пізніше введено на фіз. і кібернетики ф-тах Київ. ун-ту, фіз. ф-ті Таврій. ун-ту (Сімферополь).

Пр.: R. Feynman. Quantum mechanical computers, Simulating Physics with Computers, Keynote talk // International J. Theoretical Physics. 1982. Vol. 21; D. Deutsch. Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. 1985. Vol. 400 (1818); R. Feynman. Tiny Computers Obeying Quantum Mechanical Laws // New Directions in Physics: The Los Alamos 40th Anniversary Volume. Orlando, 1987; A. Ekert. Quantum cryptography based on Bell’s theorem // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67; E. Bernstein, U. Vazirani. Quantum complexity theory // Proceedings of the 25’th Annual ACM Symposium on the Theory of Computing. New York, 1993; P. W. Shor. Algorithms for quantum computation: Discrete logarithms and factoring // Proceedings of the 35’th Annual Symposium on Foundations of Computer Science. Los Alamitos, 1994; J. I. Cirac, P. Zoller. Quantum Computations with Cold Trapped Ions // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 74; C. H. Bennett, P. W. Shor. Quantum information theory // Transactions on Information Theory. 1998. Vol. 44; M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki. Unified Approach to Quantum Capacities: Towards Quantum Noisy Coding Theorem // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85; M. A. Nielsen, I. L. Chuang. Quantum computation and quantum information. Cambridge, 2000 (рос. перекл. – Квантовые вычисления и квантовая информация. Москва, 2006); Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Москва, 2001; Гомонай О. В. Лекції з квантової інформатики. В., 2006; Квантовая криптография: идеи и практика. Минск, 2008; V. I. Shnyrkov, D. Born, A. A. Soroka, W. Krech. Coherent Rabi response of a charge-phase qubit under microwave irradiation // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79.

О. В. Гомонай

Стаття оновлена: 2012