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 університетів і дослідниц. лаб. світу. У Каліфорній. інституті технологій (США) функціонує окремий Інститут К. т. і. Провідні вчені у цій галузі працюють в університетах і інститутах Німеччини (напр., в Університеті 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. інституті 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 Інституті проблем матем. машин і систем НАНУ (Київ; А. Бєляєв). К. т. і. також розвивають науковці Інституту фізики НАНУ (А. Семенов), Нац. авіац. університету (С. Гнатюк; обидва — Київ), Одес. академії зв’язку (Є. Василіу). Університет. курс із К. т. і. вперше розробив Дж. Прескіл із Каліфорній. інституту технологій. Нині такі курси викладають майже в кожному університеті Європи та США. В Україні курс квант. інформатики започатковано у Фіз.-тех. інституті Нац. тех. університету України «Київ. політех. інститут» (О. Гомонай), пізніше введено на фіз. і кібернетики ф-тах Київ. університету, фіз. факультеті Таврій. університету (Сімферополь).

Завантажити статтю