اطلاعات کوانتومی: تفاوت میان نسخه‌ها

در [[فیزیک]] و [[علوم رایانه|علوم کامپیوتر]]، '''اطلاعات کوانتومی اطلاعاتی''' است که در [[حالت کوانتومی|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 [[رایانه|کاپیوترهایکامپیوترهای دیجیتال]] پردازش شود، از محلی به محل دیگر [[کانال مخابراتی|منتقل]] شود، به وسیله ی [[الگوریتم|الگوریتم ها]] دستکاری شود، و با [[ریاضیات]] علوم کامپیوتر تجزیه و تحلیل شود، به همین صورت مفاهیم مشابهی نیز درباره ی اطلاعات کوانتومی صادق است. در حالی که واحد پایه اطلاعات کلاسیک [[بیت (رایانه)|بیت]] است ، در اطلاعات کوانتومی واحد پایه [[کیوبیت]] است.

بین اطلاعات كوانتومی و اطلاعات كلاسیكی، كه تجلی آن در[[بیت (رایانه)|بیت]] است ، تفاوت های ژرفُژرف، 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. علیرغمبا وجود پیوستگی حالت ها، یک [[کیوبیت]] ''کوچکترین'' واحد ممکن اطلاعات کوانتومی است. زیرا علیرغم این پیوستگی، [[اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی|تعیین]] دقیق حالت یک [[کیوبیت]]، [[آزمایش فکری اینشتین-پودولسکی-روزن|غیر ممکن]] است.

* بنا بر [[قضیه عدم تلپورت،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 آنآن، ،کیوبیتکیوبیت ها می توانند از طریق [[دورنوردی کوانتومی|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،حذف]]، نمیتوان یک کیوبیت دلخواه را کپی یا حذف کرد .

* بنا بر [[قضیه عدم انتشار،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 ای 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 [[رایانش کوانتومی|محاسبه کوانتومی]] [[تاب‌آوری خطا|خطا پذیر]] را ممکن ساخت.ساخته است.

* 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.

*<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> </math>اطلاعات کوانتومی و تغییرات اطلاعات کوانتومی را می توان به طور کمی با استفاده از یک نظیر [[آنتروپی اطلاعات|آنتروپی]] [[کلود شانون|شانون]] ، به نام [[آنتروپی فون نویمان]] ، اندازه گیری کرد. با داشتن یک [[آنسامبل آماری]] از سیستم های مکانیکی کوانتومی با [[ماتریس چگالی]] <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi> <math>\rho</math> </mi></mstyle></mrow> </math><math>\rho</math> <math>\rho</math> </img> <span></span> ، این <mathآنتروپی xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrowاز class="MJX-TeXAtom-ORD"><mstyleرابطه displaystyle="true" scriptlevel="0"><mi>ی <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><moبه stretchy="false">دست <math>می S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho)آید. \, </math> </mo><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><mo stretchy="false"> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mo> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mo> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><mo> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mo stretchy="false"> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><mo> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mi> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mi><mo stretchy="false"> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo><mo> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </mo></mstyle></mrow> </math><math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> </math><math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> <math> S(\rho) = -\operatorname{Tr}(\rho \ln \rho). \, </math> </img> <span></span> میتوان بسیاری از روش های انتروپیآنتروپی مشابه در [[نظریه اطلاعات]] کلاسیک را به مورد کوانتومی، مانند آنتروپی Holevoهولونو <ref>{{Cite web|url=http://www.mi.ras.ru/~holevo/eindex.html|title=Alexandr S. Holevo|accessdate=4 December 2018|website=Mi.ras.ru}}</ref> و انتروپیآنتروپی کوانتومی مشروط، تعمیم داد.

* در برخی موارد [[الگوریتم کوانتومی|الگوریتم های کوانتومی]] می توانند برای انجام محاسبات سریع تر از هر الگوریتم کلاسیک شناخته شده مورد استفاده قرار گیرند. معروف ترین نمونه از اینا<span></span>ین الگوذریتمالگوریتم 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 [[آراس‌ای|رمزگذاری RSA]] است، الگوریتم شورشر موجب ایجاد زمینه جدید [[رمزنگاری پساکوانتوم|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 گرور|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 [[رایانش کوانتومی|کامپیوتر کوانتومی]] قابل حل قابل حل است به BQP معروف است.

موضوع مطالعه ی [[مکانیک کوانتومی]] تغییرات دینامیکی سیستم های فیزیکی میکروسکوپی است. در حوزه نظریه اطلاعات کوانتومی، سیستم های کوانتومی مورد بررسی 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 چگالی|ماتریس های چگالی]] بر روی [[عدد مختلط|اعداد مختلط]] است. تفاوت مهم دیگر بین تئوری اطلاعات کوانتمیکوانتومی و مکانیک کوانتومی آن است که، در حالی که مکانیک کوانتومی اغلب به مطالعه سیستم های بی نهایت بعدی مانند یک [[نوسانگر هماهنگ کوانتمی|نوسانگر هماهنگ]] میپردازد، تئوری اطلاعات کوانتومی در در جه اول به سیستم های با بعد محدود میپردازدمی پردازد.

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