اطلاعات کوانتومی: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده

درخط

نسخهٔ ‏۲۹ ژانویهٔ ۲۰۱۹، ساعت ۰۷:۵۸

در فیزیک و علوم کامپیوتر، اطلاعات کوانتومی اطلاعاتی است که در حالت یک سیستم کوانتومی نگه داری می شود. اطلاعات کوانتومی موضوع بنیادین مطالعه در نظریه اطلاعات کوانتومی است و می تواند با استفاده از تکنیک های مهندسی ای که به عنوان پردازش اطلاعات کوانتومی شناخته می شود، دستکاری شود. همان طور که اطلاعات کلاسیک می تواند توسط کاپیوترهای دیجیتال پردازش شود، از محلی به محل دیگرمنتقل شود، به وسیله ی الگوریتم ها دستکاری شود، و با ریاضیات علوم کامپیوتر تجزیه و تحلیل شود، مفاهیم مشابهی نیز درباره ی اطلاعات کوانتومی صادق است.در حالی واحد پایه اطلاعات کلاسیک بیت است ، در اطلاعات کوانتومی واحد پایه کیوبیت است.

اطلاعات کوانتومی

بین اطلاعات كوانتومی و اطلاعات كلاسیكی، كه تجلی آن دربیت است ، تفاوت های ژرفُ قابل توجه و نا آشنایی وجود دارد. از این میان می توان به این موارد اشاره کرد:

یک واحد اطلاعات کوانتومی کیوبیت است. بر خلاف حالت های کلاسیک دیجیتال (که گسسته اند)، یک کوبیت دارای حالت های پیوسته است، که با یک جهت در کره بلاخ توصیف می شوند. علیرغم پیوستگی حالت ها، یک کیوبیت کوچکترین واحد ممکن اطلاعات کوانتومی است. زیرا علیرغم این پیوستگی، تعیین دقیق حالت یک کیوبیت، غیر ممکن است.
بنا بر قضیه عدم تلپورت، یک کوبیت نمی تواند (کاملاٌ) به بیت های کلاسیک تبدیل شود؛ به عبارت دیگر نمی توان آن را "خواند".
علیرغم قضیه عدم تلپورت و نام نامناسب آن ،کیوبیت ها می توانند از طریق تلپورت کوانتومی، از یک ذره ی فیزیکی به ذره ای دیگر منتقل شوند. به عبارت دیگر، آن ها میتوانند مستقل از ذرات فیزیکی پس زمینه جابجا شوند.
بنابر قضایای عدم شبیه سازی و عدم حذف، نمیتوان یک کیوبیت دلخواه را کپی یا حذف کرد .
بنا بر قضیه عدم انتشار، یک کیوبیت با وجود توانایی انتقال از جای به جای دیگر (مثلاٌ از طریق تلپورت کوانتومی)، نمی تواند همزمان به چند ذره منتقل شود. این قضیه نتیجه ی قضیه ی عدم شبیه سازی است.
می توان با اعمال نگاشت خطی یا به وسیله ی دروازه های کوانتومی کیوبیت ها را تغییر داد تا حالت آنها عوض شود. در حالی که دروازه های کلاسیک متناظر اند با عملگر های آشنای جبر بولی، دروازه های کوانتومی عملگر های یگانه ی فیزیکی هستند که در مورد کیوبیت ها با چرخش کره بلاخ متناظر اند.
با توجه به ناپایداری سیستم های کوانتومی و عدم امکان کپی کردن حالت ها، ذخیره اطلاعات کوانتومی بسیار دشوارتر از ذخیره اطلاعات کلاسیک است. با این وجود، در تئوری، با کمک اصلاح خطای کوانتومی می توان اطلاعات کوانتومی را به طور قابل اعتمادی ذخیره کرد. وجود کدهای تصحیح خطای کوانتومی همچنین محاسبه کوانتومی خطا پذیر را ممکن ساخت.
با استفاده از دروازه های کوانتومی می توان بیت های کلاسیک را در کیوبیت ها دخیره کرد و سپس از آنها خواند. بنابر قضیه هلوو، یک کیوبیت به تنهایی، توانایی حمل تنها یک بیت از اطلاعات کلاسیک موجود درباره ی آماده سازی اش را دارد. با این حال، در کدنویسی ابرفشرده فرستنده می توند با عمل بر روی یکی از دو کوبیت در هم تنیده ، می تواند دو بیت از اطلاعات قابل دسترسی از حالت مشترک آنها را به یک گیرنده انتقال دهد.
اطلاعات کوانتومی را می توان از طریق کانال کوانتومی انتقال داد، این مفهوم متناظر است با همانند مفهوم کانال مخابراتی کلاسیک. پیامهای کوانتومی دارای اندازه محدودی هستند که با واحد کیوبیت اندازه گیری می شوند. کانال های کوانتومی نیز دارای ظرفیت کانال محدودی هستند که با واحد کوبیت در ثانیه اندازه گیری می شوند.
اطلاعات کوانتومی و تغییرات اطلاعات کوانتومی را می توان به طور کمی با استفاده از یک نظیر آنتروپی شانون ، به نام آنتروپی فون نویمان ، اندازه گیری کرد. با داشتن یک آنسامبل آماری از سیستم های مکانیکی کوانتومی با ماتریس چگالی شکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math>\rho} </mi></mstyle></mrow> </math> $\rho$ $\rho$ </img> ، شکست در تجزیه (خطای نحوی): {\displaystyle <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, } </mi><mo stretchy="false"> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mi> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mi><mo stretchy="false"> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mo> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mo> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mi> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mi><mo> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mo stretchy="false"> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mi> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mi><mi> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mi><mo> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mi> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mi><mo stretchy="false"> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo><mo> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </mo></mstyle></mrow> </math> $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ $S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho ).\,$ </img> میتوان بسیاری از روش های انتروپی مشابه در نظریه اطلاعات کلاسیک را به مورد کوانتومی، مانند آنتروپی Holevo ^[۱] و انتروپی کوانتومی مشروط، تعمیم داد.
در برخی موارد الگوریتم های کوانتومی می توانند برای انجام محاسبات سریع تر از هر الگوریتم کلاسیک شناخته شده مورد استفاده قرار گیرند. معروف ترین نمونه از این الگوذریتم ها الگوریتم شر است که می تواند در زمان چندجمله ای عوامل اول اعداد را بیابد. این زمان را مقایسه کنید با بهترین الگوریتم های کلاسیک که زمانی فرو نمایی دارند. همانطور که یافتن عوامل اول بخش مهمی از ایمنی رمزگذاری RSA است، الگوریتم شور موجب ایجاد زمینه جدید رمزنگاری پسا کوانتومی شد که تلاش می کند طرح های رمزنگاری ای بیابد که حتی در مقابل کامپیوتر های کوانتومی امنیت خود را حفظ کنند. مثالی دیگر از الگوریتم هایی که برتری کوانتومی را نشان می دهند الگوریتم جستجو گرور است، که در آن الگوریتم کوانتومی نسبت به بهترین الگوریتم کلاسیک ممکن بهبود سرعتی از مرتبه ی دوم دارد. کلاس پیچیدگی مسائلی که به طور بهینه توسط کامپیوتر کوانتومی قابل حل قابل حل است به BQP معروف است.
توزیع کلید کوانتومی (QKD)، امکان انتقال بدون قید و شرط اطلاعات کلاسیک امن را فراهم میکند، برحلاف رمزگذاری کلاسیک که همواره در تئوری ، اگر نه در عمل، قابل رمزگشایی است. توجه داشته باشید که برخی از نکات ظریف در رابطه با ایمنی QKD همچنان به شدت مورد بحث است.

مطالعه کلیه موضوعات و تفاوت های فوق نظریه اطلاعات کوانتومی را تشکیل می دهد.

ارتباط با مکانیک کوانتومی

موضوع مطالعه ی مکانیک کوانتومی تغییرات دینامیکی سیستم های فیزیکی میکروسکوپی است. در حوزه نظریه اطلاعات کوانتومی، سیستم های کوانتومی مورد از همتای دنیای واقعی منتزع شده اند. یک کوبیت ممکن است در عمل یک فوتون در یک کامپیوتر کوانتومی نوری خطی، یک یون در یک کامپیوتر کوانتومی یون به دام افتاده، مجموعه ای بزرگ از اتم ها مانند یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا باشد. صرف نظر از پیاده سازی فیزیکی، محدودیت ها و ویژگی های کوبیت ها، که نتیجه نظریه اطلاعات کوانتومی است، در همه ی این سیستم ها صادق است. زیرا توصیف ریاضی همه ی این سیستم ها بر مبنای ماتریس های چگالی بر روی اعداد مختلط است. تفاوت مهم دیگر بین تئوری اطلاعات کوانتمی و مکانیک کوانتومی آن است که، در حالی که مکانیک کوانتومی اغلب به مطالعه سیستم های بی نهایت بعدی مانند یک نوسانگر هماهنگ میپردازد، تئوری اطلاعات کوانتومی در در جه اول به سیستم های با بعد محدود میپردازد.

نشریات

نشریات بسیاری تحقیقات در زمینه ی علوم اطلاعات کوانتومی منتشر می کنند، اگرچه تنها تعداد کمی به این موضوع اختصاص یافته اند. در میان اینها هستند:

International Journal of Quantum Information
Quantum Information & Computation
Quantum Information Processing
npj Quantum Information ^[۲]
Quantum ^[۳]
Quantum Science and Technology ^[۴]

همچنین نگاه کنید

مکانیک کوانتومی طبقه بندی شده
آزمایش های ذهنی انیشتین
تفسیرهای مکانیک کوانتومی
POVM (معیار عملگر مثبت)
ساعت کوانتومی
شناخت کوانتومی
پایه های کوانتوم
علم اطلاعات کوانتومی
مکانیک آماری کوانتومی
کیوتریت
زیرفضای معمولی

منابع

↑ "Alexandr S. Holevo". Mi.ras.ru. Retrieved 4 December 2018.
↑ "npj Quantum Information". Nature.com. Retrieved 4 December 2018.
↑ "Quantum Homepage". Quantum-journal.org. Retrieved 4 December 2018.
↑ "Quantum Science and Technology". IOP Publishing. Retrieved 12 January 2019.

[1] "Alexandr S. Holevo". Mi.ras.ru. Retrieved 4 December 2018.

[2] "npj Quantum Information". Nature.com. Retrieved 4 December 2018.

[3] "Quantum Homepage". Quantum-journal.org. Retrieved 4 December 2018.

[4] "Quantum Science and Technology". IOP Publishing. Retrieved 12 January 2019.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]