"الكم" هنا والآن (الجزء 3)
في مقالات سابقة، تحدثت أنا بإيجاز عن أماكن العمل في تطوير فيزياء الكم و علوم الكمبيوتر ، والتي أدت إلى ظهور المعلومات الكم والكم الحوسبة على هذا النحو. اليوم ، أردت أن أفكر بهذه الطريقة في اتجاه آخر قدم مساهمة كبيرة: نظرية المعلومات .نظرية المعلومات.
في الأربعينيات. بالتزامن مع تطور علوم الكمبيوتر ، حدثت تغييرات أساسية في فهم مفهوم الاتصال. في عام 1948 ، كلود شانوننشر العديد من الأعمال البارزة التي أرست أسس النظرية الحديثة للمعلومات والاتصالات. على الأرجح ، كانت الخطوة الأكثر أهمية التي قام بها شانون هي أنه قدم تعريفًا رياضيًا لمفهوم المعلومات. لذا حاول التفكير ، استنادًا إلى أبسط الاعتبارات الفلسطينية ، في السؤال التالي: كيف ستتعامل مع التعريف الرياضي لمفهوم "مصدر المعلومات؟" في العالم في ذلك الوقت ظهرت عدة حلول لهذه المشكلة ، لكن إجابة شانون كانت الأكثر فائدة من حيث تحسين الفهم. أدى استخدامه إلى عدد من النتائج الجادة ، وإلى إنشاء نظرية تعكس بشكل كاف العديد من مشاكل الاتصال الحقيقية.كانت شانون مهتمة بقضيتين رئيسيتين تتعلقان بشكل مباشر بتبادل المعلومات عبر قناة الاتصال. أولاً ، ما هي الموارد المطلوبة لنقل المعلومات عبر قناة؟ ثانياً ، هل يمكن إرسال المعلومات بطريقة تحميها من الضوضاء في قناة الاتصال؟ وأجاب على هذين السؤالين ، مبرهنًا على نظريتين أساسيتين. الأول هو نظرية الترميز لقناة خالية من الضوضاء ، والتي تحدد مقدار الموارد المادية المطلوبة لتخزين إخراج مصدر المعلومات. والثاني هو نظرية تشفير الضوضاء.- يبين مقدار المعلومات التي يمكن إرسالها بشكل موثوق عبر القناة في وجود ضوضاء. أظهر شانون أن رموز تصحيح الخطأ ممكنة من أجل تحقيق إرسال موثوق به في وجود ضوضاء. تحدد نظرية شانون للقناة ذات الضوضاء حدًا أعلى لحماية المعلومات التي توفرها هذه الرموز. لسوء الحظ ، لا تقدم النظرية شكلاً صريحًا من الرموز التي تساعد على الوصول إلى هذا الحد عمليًا. ومع ذلك ، هناك نظرية معقدة تسمح لك بتطوير كود جيد يصحح الأخطاء. وتستخدم هذه الرموز على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، في أجهزة المودم الحاسوبية وأنظمة الاتصالات الساتلية.نظرية معلومات الكم.
تطورت النظرية الكمومية للمعلومات بنفس الطريقة تقريبًا. في عام 1995 ، أثبت بن شوماخر نظيره في نظرية شانون حول الترميز في غياب الضوضاء ، على طول الطريق الذي يحدد البت الكمومي (qubit) كمورد مادي حقيقي. ولكن ، تجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد حتى الآن أي نظير لنظرية الترميز شانون لقناة مع الضوضاء كما هو مطبق على المعلوماتية الكمومية. على الرغم من ذلك ، تم تطوير نظرية تصحيح الأخطاء الكمية ، والتي تسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء العمليات الحسابية بكفاءة في وجود الضوضاء ، وكذلك نقل المعلومات بشكل موثوق.تبين أن الأفكار الكلاسيكية لتصحيح الأخطاء مهمة ومفيدة للغاية في تطوير وفهم الرموز لتصحيح الرموز الكمية. في عام 1996 ، عملت بشكل مستقل روبرت Culderbank مع بيتر شور واكتشف أندرو ستين فئة مهمة من الرموز الكمية ، تسمى الآن رموز CSS بناءً على الأحرف الأولى من ألقابها. في وقت لاحق ، تم تصنيف هذه الرموز على أنها رموز إرشادية أو مستقرة. اعتمدت هذه الاكتشافات بشكل كبير على أفكار النظرية الكلاسيكية للتشفير الخطي ، والتي ساهمت بشكل كبير في الفهم السريع للرموز لتصحيح الأخطاء الكمية واستخدامها الإضافي في مجال الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمية.تم تطوير هذه النظرية بهدف حماية الحالات الكمومية من الضوضاء ، ولكن ماذا عن نقل المعلومات الكلاسيكية عبر قناة كمومية؟ هل هي فعالة على الإطلاق ، وإذا كان الأمر كذلك ، فكم؟ وهنا تنتظر بعض المفاجآت. في عام 1992 ، تشارلز بينيت وستيف ويزنرشرحوا للعالم كيفية نقل قطعتين من المعلومات الكلاسيكية عن طريق إرسال كيوبت واحد فقط. وهذا ما يسمى الترميز الفائق الكثافة.المزيد من الأسئلة ، وبالتالي أكثر إثارة للاهتمام هي النتائج في مجال الحوسبة الكمومية الموزعة. تخيل أن لديك جهازي كمبيوتر متصلان بشبكة يتم حل بعض المهام عليه. كم عدد عمليات إرسال الشبكة اللازمة لحلها؟ الإجابة على هذا السؤال ليست مهمة ، شيء آخر مهم. منذ وقت ليس ببعيد ، تبين أنه بالنسبة لمثل هذا النظام الكمي ، قد يستغرق الأمر وقتًا أقل بشكل كبير لحل المشكلة مقارنةً بأجهزة الكمبيوتر التقليدية على الشبكة. هذه بالتأكيد نتيجة مهمة للغاية ، ولكن هناك عيب واحد - للأسف ، هذه المهام ليست ذات أهمية خاصة في الظروف الحقيقية.نظرية معلومات الكم الشبكية.
تبدأ النظرية الكلاسيكية للمعلومات بدراسة خصائص قناة اتصال واحدة ، بينما في الممارسة نتعامل غالبًا مع شبكة من قنوات عديدة ، وليس مع قناة واحدة. يتم دراسة خصائص هذه الشبكات فقط من خلال نظرية شبكة المعلومات ، والتي تطورت إلى علم واسع ومعقد.على النقيض من ذلك ، فإن نظرية كمية الشبكة للمعلومات هي في مهدها فقط. حتى الآن ، لا نعرف سوى القليل جدًا عن إمكانات الإرسال في الشبكات الكمومية ، ناهيك عن كل شيء آخر. في السنوات الأخيرة ، تم الحصول على عدد كبير من النتائج والتطورات ، حتى تم إنشاء بعض الشبكات الكمومية ، ولكن لم توجد بعد نظرية شبكة موحدة للقنوات الكمومية. وهنا مرة أخرى يرتكز كل شيء على الخصائص التي تتعارض مع الحدس ، مما يوضح الطبيعة الغريبة للمعلومات الكمية.استنتاج
وبالتالي ، يمكننا تلخيص النتيجة التالية: كل شيء ليس سلسًا على الإطلاق في نظرية المعلومات الكمية الحالية ولا يزال هناك الكثير الذي يجب عمله بشكل كامل. يبقى السؤال الرئيسي هو إثبات نظرية مماثلة لنظرية شانون للتشفير لقناة بها ضوضاء. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري البحث عن المشكلات المهمة عمليًا التي تتمتع فيها الحوسبة الكمومية الموزعة بميزة كبيرة على المشاكل الكلاسيكية الموزعة. حسنًا ، وكما قلت ، من الضروري إنشاء نظرية كمية موحدة لشبكة المعلومات ، نظرًا لأننا ما زلنا نأمل في إنشاء نوع ما من شبكة الكم العالمية تقريبًا. كل هذا هو أهم مجالات البحث في هذا المجال. Source: https://habr.com/ru/post/ar386007/
All Articles