‍Квантовая информатика

Клас­си­че­ская тео­рия информации — срав­ни­тельно моло­дая ветвь матема­тики. Но порож­дён­ный ею мир мобиль­ных теле­фо­нов, пер­со­наль­ных компью­те­ров, циф­ро­вых фото­камер и других элек­трон­ных устройств уже успел кар­ди­нально изме­нить нашу жизнь.

Исто­ри­че­ский момент, пред­опре­де­ливший принци­пи­аль­ный пере­ход к «цифре», можно ука­зать точно: в 1948 году были совершены два рево­люци­он­ных открытия. Пер­вое — изоб­ре­те­ние тран­зи­стора, про­ложившее путь к мини­а­тю­ри­за­ции элек­трон­ных устройств. Вто­рое — воз­ник­но­ве­ние матема­ти­че­ской тео­рии информации, обос­но­вавшей пере­ход к циф­ро­вому пред­став­ле­нию дан­ных и пред­ложившей уни­вер­саль­ные методы обра­ботки циф­ро­вых дан­ных. Именно в 1948 году был опуб­ли­ко­ван осно­вопо­лагающий труд аме­ри­кан­ского инже­нера-матема­тика К. Шен­нона, хотя неко­то­рые его идеи были пред­вос­хищены в рабо­тах по осно­вам поме­хо­устой­чи­вой связи нашего учё­ного В. А. Котель­ни­кова.

Одна из целей тео­рии информации — совершен­ство­вать методы пере­дачи информации и её хра­не­ния (можно счи­тать, что это тоже пере­дача, только во времени). Здесь есть два особо важ­ных аспекта: ско­рость и каче­ство (точ­ность вос­про­из­ве­де­ния) пере­дачи дан­ных. Между этими двумя харак­те­ри­сти­ками име­ется обрат­ная зави­симость: повыше­ние точ­но­сти достига­ется добав­ле­нием избыточ­ной информации, что замед­ляет пере­дачу. Мак­симально возмож­ная ско­рость пере­дачи дан­ных, при кото­рой обес­пе­чи­ва­ется исправ­ле­ние оши­бок, вызван­ных поме­хами, назы­ва­ется про­пуск­ной спо­соб­но­стью канала. Это важ­ное поня­тие было вве­дено К. Шен­но­ном, им же была дока­зана тео­рема, опре­де­ляющая верх­ний пре­дел про­пуск­ной спо­соб­но­сти в рам­ках клас­си­че­ской тео­рии.

Силь­ной (и в то же время сла­бой) сто­ро­ной клас­си­че­ской тео­рии информации, обу­сло­вившей её уни­вер­саль­ность, явля­ется пере­вод информации в «цифру»: абстраги­ро­ва­ние от содер­жа­ния и при­роды пере­да­ва­емых дан­ных.

Но «информация — физична»: фун­дамен­таль­ным носи­те­лем информации явля­ется элек­тро­маг­нит­ное поле, напри­мер, в форме видимого света либо радио­сиг­нала. Не учи­ты­вать физи­че­скую при­роду иногда про­сто невозможно: канал пере­дачи информации по сути явля­ется кван­то­вым, пре­делы ско­ро­сти и точ­но­сти пере­дачи информации в нём — кван­тово-меха­ни­че­ские.

Кван­то­вая информа­тика — это новое науч­ное направ­ле­ние, син­тез матема­ти­че­ских идей тео­рии информации и физи­че­ских зако­нов мик­ромира (кван­то­вой меха­ники). Информация пред­став­ля­ется не чис­лами, а состо­я­ни­ями поля, являющегося её носи­те­лем.

Два фун­дамен­таль­ных отли­чия кван­то­вого мира от клас­си­че­ского — это допол­ни­тель­ность и сцеп­лен­ность. Допол­ни­тель­ность озна­чает, что у объекта (явле­ния) кван­то­вого мира есть свойства, кото­рые в принципе невозможно одно­временно точно изме­рить. В част­но­сти, изме­ре­ние одного свойства меняет другое. Сцеп­лен­ность — харак­те­ри­стика состав­ных кван­то­вых систем. Две части такой системы нахо­дятся в сцеп­лен­ном состо­я­нии, если между ними уста­нов­лена кван­то­вая связь, действующая даже при их зна­чи­тель­ном уда­ле­нии друг от друга. Для сцеп­лен­ных объек­тов изме­ре­ние одного при­во­дит к изме­не­ниям в другом, при­чём момен­тально (при этом момен­таль­ная пере­дача информации исклю­чена). Оба свойства не имеют клас­си­че­ских ана­логов и даже кон­трин­ту­и­тивны, но они под­твер­ждены экс­пе­римен­тально.

Допол­ни­тель­ность и сцеп­лен­ность поз­во­ляют созда­вать кван­то­вые каналы связи и крип­тографи­че­ские про­то­колы, защищён­ные самой при­ро­дой — несанкци­о­ни­ро­ван­ное вмеша­тельство будет сразу заметно. Эти свойства опре­де­ляют и демон­стри­руют веро­ят­ност­ный по сути харак­тер физики мик­ромира. Уме­ние извлечь эту «чистую» веро­ят­ность, не свя­зан­ную с непол­но­той наших зна­ний, уже воплощено в кван­то­вых дат­чи­ках под­линно слу­чай­ных чисел.

Кван­то­вая информа­тика пред­лагает эффек­тив­ные алго­ритмы для реше­ния слож­нейших задач, кото­рые недо­ступны ника­ким «клас­си­че­ским» супер­компью­те­рам. Эти возмож­но­сти потенци­ально можно реа­ли­зо­вать в кван­то­вом компью­тере, элементы кото­рого, кубиты, нахо­дятся в сцеп­лен­ном состо­я­нии, обес­пе­чи­вающем осо­бый «кван­то­вый парал­ле­лизм» опе­раций.

Тео­ре­ти­че­ские достиже­ния кван­то­вой информа­тики опи­раются на методы и результаты как клас­си­че­ских, так и современ­ных, быстро раз­ви­вающихся раз­де­лов матема­тики — тео­рии гиль­бер­то­вых про­странств, мат­рич­ного и опе­ра­тор­ного ана­лиза, некомму­та­тив­ной тео­рии веро­ят­но­стей и ста­ти­стики. Эти достиже­ния откры­вают чело­ве­че­ству возмож­ность совершить тех­но­логи­че­ский про­рыв, пройти путь от экс­пе­римен­таль­ных уста­но­вок до созда­ния действующих устройств.

С дру­гой сто­роны, кван­то­вая информа­тика даёт ключ к понима­нию неко­то­рых фун­дамен­таль­ных зако­номер­но­стей при­роды: про­яс­няются осно­ва­ния физики мик­ромира, её соот­ноше­ние с реаль­но­стью. Может ока­заться и так (вспом­ните допол­ни­тель­ность!), что результаты на этом пути обо­зна­чат гра­ницы возмож­ного.