Kvantinformatsioon

Kvantinformatsioon ehk kvantteave on informatsioon kvantsüsteemi oleku kohta. See on kvantinformatsiooniteooria põhiline uurimisobjekt ja seda saab manipuleerida kvantinformatsiooni töötlemise tehnikate abil. Kvantinformatsioon viitab nii von Neumanni entroopia tehnilisele määratlusele kui ka üldisele arvutuslikule terminile.^[1][2][3]

Optilised võred kasutavad lasereid, et eraldada rubiidiumi aatomeid (punane), mida kasutatakse infobittidena neutraalsete aatomite kvantprotsessorites – seadmete prototüüpides, mida projekteerijad püüavad arendada toimivateks kvantarvutiteks.

See on interdistsiplinaarne valdkond, mis hõlmab muu hulgas kvantmehaanikat, arvutiteadust, informatsiooniteooriat, filosoofiat ja krüptograafiat.^[4][5][6] Selle uurimine on oluline ka selliste valdkondade jaoks nagu kognitiivteadus, psühholoogia ja neuroteadus.^{[7][8][9][10]} Selle põhieesmärk on teabe eraldamine ainest mikroskoopilisel skaalal. Vaatlus on teaduses üks tähtsamaid teabe hankimise viise ja mõõtmine on vajalik vaatluse kvantifitseerimiseks, mistõttu on see teaduslikus meetodis ülioluline. Kvantmehaanikas ei saa mittekommuteeruvaid vaatlusandmeid üheaegselt täpselt mõõta, sest kvantolek ühes baasis ei ole sama kvantolek teises baasis. Vastavalt kvantoleku ja kvantväärtuse seosele on vaatlusaluse hästi määratletud (kindel), kui süsteemi seisund on vaatlusaluse kvantolek.^[11] Kuna mis tahes kaks mittekommuteerivat vaatlusnäitajat ei ole üheaegselt hästi defineeritud, ei saa kvantolek kunagi sisaldada lõplikku teavet mõlema mittekommuteeriva vaatlusnäitaja kohta.^[8]

Andmeid saab kvantsüsteemi kvantolekutesse kodeerida kvantteabe kujul.^[12] Kui kvantmehaanika tegeleb aine omaduste uurimisega mikroskoopilisel tasandil, siis kvantinformatsiooniteadus keskendub nende omaduste põhjal teabe eraldamisele ning kvantarvutus manipuleerib ja töötleb teavet – teeb loogilisi operatsioone – kasutades kvantinformatsiooni töötlemise tehnikaid.^[13][8][14]

Kvantteavet, nagu ka klassikalist teavet, saab töödelda digitaalarvutite abil, edastada ühest kohast teise, manipuleerida algoritmidega ning analüüsida arvutiteaduse ja matemaatika abil. Nii nagu klassikalise teabe põhiühik on bitt, on kvantteabe puhul tegemist kvantbititega. Kvantteavet saab mõõta von Neumanni entroopia abil.^[15]

Viimasel ajal on kvantarvutite valdkond muutunud eriti aktiivseks uurimisvaldkonnaks, kuna see omab suurt potentsiaali arvutamise, kommunikatsiooni ja krüptograafia valdkondades.^[14][16]

Kvantbitid ja informatsiooniteooria

Kvantteave erineb klassikalisest teabest, mida iseloomustab bitt, mitmel harjumatul viisil. Kui klassikalise teabe põhiühik on bitt, siis kvantteabe põhiühik on kvantbitt. Klassikalist informatsiooni mõõdetakse Shannoni entroopia abil, samas kui selle kvantmehaaniline analoog on von Neumanni entroopia. Kvantmehaaniliste süsteemide statistilise ansambli puhul, mille tihedusmaatriks on ${\displaystyle \rho }$, vastab sellele valem ${\displaystyle S(\rho )=-\operatorname {Tr} (\rho \ln \rho )}$.^[2] Paljusid entroopia mõõdikuid klassikalises informatsiooniteoorias saab üldistada ka kvantjuhtumitele, näiteks Holevo entroopia ja tingimuslik kvantentroopia.^[17]

Erinevalt klassikalistest digitaalsetest olekutest (mis on diskreetsed) on kvantbitt pidevväärtusega, mida saab kirjeldada Blochi sfääril asuva suunaga. Vaatamata sellele, et kvantbitt on sellisel viisil pidevalt väärtustatud, on see väikseim võimalik kvantteabe ühik ja vaatamata sellele, et kvantbiti olek on pidevalt väärtustatud, on võimatu selle väärtust täpselt mõõta. Viis kuulsat teoreemi kirjeldavad kvantinformatsiooniga manipuleerimise piiranguid.^[2]

1. mitteteleportatsiooni teoreem, mis väidab, et kvantbiti ei saa (täielikult) muundada klassikalisteks bittideks ehk seda ei saa täielikult „lugeda“.
2. mittekloonimise teoreem, mis takistab suvalise kvantbiti kopeerimist.
3. mittekustutamise teoreem, mis takistab suvalise kvantbiti kustutamist.
4. mitteülekande teoreem, mis takistab suvalise kvantbiti edastamist mitmele adressaadile, kuigi seda saab transportida ühest kohast teise (nt kvantteleportatsiooni abil).
5. mittevarjamise teoreem, mis näitab kvantinformatsiooni säilimist.

Need teoreemid on tõestatud unitariteedi alusel, mis Leonard Susskindi sõnul on tehniline termin väitele, et kvantinformatsioon universumis on jääv. Need viis teoreemi loovad võimalusi kvantinformatsiooni töötlemiseks.^[18]