Quanteninformationstheorie

Polyak veröffentlichte den Artikel, in dem der Begriff erstmals auftaucht: Quanteninformationstheorie. Im Juni feierte dieser einer der beliebtesten Bereiche der theoretischen Physik ein doppeltes Jubiläum: den 40. Jahrestag seines Bestehens und den 90. Jahrestag der Geburt des Älteren. Im Jahr 1975 wurde Prof. Roman S. Ingarden vom Institut für Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Torun veröffentlichte sein Werk „Quantum Theory of Information“.

Roman S. Ingarden

Diese Arbeit präsentierte erstmals ein systematisches Strukturdiagramm der Quanteninformationstheorie, die heute zu den „heißesten“ Bereichen der Physik zählt. Viele Menschen waren bei ihrer Geburt dabei. An der Wende der 60er und 70er Jahre wurde unter der Leitung von Prof. Ingarden am Institut für Mathematische Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Torun wurde über die Beziehung zwischen der Informationstheorie und anderen grundlegenden Theorien der modernen Physik geforscht. Zu dieser Zeit entstanden viele wissenschaftliche Arbeiten, in denen die Gesetze der Informationsbewegung in thermodynamischen und Quantenprozessen untersucht wurden. „In jenen Jahren war es ein äußerst innovativer Ansatz, eine Art intellektuelle Extravaganz, die an der Grenze zwischen Physik und Philosophie balancierte. Hatte er in aller Welt eine kleine Gruppe von Unterstützern, die oft unser Institut besuchten, um direkt mit Professor Ingardens Team zusammenzuarbeiten? ? sagt Prof. Andrzej Jamiolkowski vom Institut für Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität. Damals wurden die häufig verwendeten Konzepte des Lindblad-Kossakovsky-Evolutionsgenerators und des Yamiolkovsky-Isomorphismus in die theoretische Physik eingeführt. Prof. Ingarden hatte Recht, was die grundlegende Bedeutung des Informationsbegriffs in der Physik angeht.

In den 90er Jahren wurden aufgrund der rasanten Entwicklung der experimentellen Methoden der Quantenphysik die ersten Experimente durchgeführt, bei denen Quantenobjekte wie Photonen zur Speicherung und Übertragung von Informationen genutzt wurden. Diese Erfahrung ebnete den Weg für die Entwicklung neuer Hochleistungstechnologien für die Quantenkommunikation. Die Ergebnisse stießen auf großes Interesse in der Welt der Wissenschaft und Technik. Die Quanteninformationstheorie ist zu einem vollwertigen und äußerst modischen Zweig der modernen Physik geworden. Derzeit werden in Forschungszentren auf der ganzen Welt Fragen im Zusammenhang mit der Quanteninformation untersucht; dies ist einer der beliebtesten und sich dynamisch entwickelnden Bereiche der Physik mit großer Zukunft.

Moderne Computer funktionieren nach den Gesetzen der klassischen Physik. Allerdings werden elektronische Schaltkreise so klein, dass man bald Effekte bemerken wird, die für die Quantenwelt charakteristisch sind. Dann wird uns der Prozess der Miniaturisierung dazu zwingen, die Spielregeln von klassisch auf Quantencomputer zu ändern, erklärt Dr. Milos Michalsky von der Abteilung für Theoretische Physik des Instituts für Physik des Nikolaus-Kopernikus-Instituts die Aussichten für die Entwicklung des Quantencomputings Universität. . Quanteninformationen haben viele nicht-intuitive Eigenschaften, wie zum Beispiel, dass sie nicht kopiert werden können, während das Kopieren klassischer Informationen kein Problem darstellt. Kürzlich wurde auch bekannt, dass Quanteninformationen negativ sein können, was besonders überraschend ist, da wir normalerweise davon ausgehen, dass das System, nachdem es einen Teil der Informationen erhalten hat, mehr davon enthalten wird. Die aus klassischer menschlicher Sicht bemerkenswerteste und gleichzeitig potenziell sehr nützliche Eigenschaft von Quantenzuständen als Träger von Quanteninformation ist jedoch die Fähigkeit, aus ihnen Überlagerungen von Zuständen zu erzeugen.

Moderne Computer arbeiten mit klassischen Bits, die sich jederzeit nur in einem von zwei Zuständen befinden können, die üblicherweise als „0“ und „1“ bezeichnet werden. Quantenbits sind anders: Sie können in jeder beliebigen Mischung (Überlagerung) von Zuständen existieren, und erst wenn wir sie lesen, nehmen die Werte den Wert „0“ oder „1“ an. Der Unterschied lässt sich an der Zunahme der verarbeiteten Informationsmenge erkennen. Ein klassischer 10-Bit-Computer kann nur einen der 1024 (2^10) Zustände eines solchen Registers in einem Schritt verarbeiten, aber ein Quantenbit-Computer kann sie alle verarbeiten? auch in einem Schritt.

Die Erhöhung der Anzahl der Quantenbits auf beispielsweise 100 eröffnet die Möglichkeit, über eine Milliarde Milliarden Zustände in einem einzigen Zyklus zu verarbeiten. So könnte ein Computer, der mit einer ausreichenden Anzahl von Quantenbits arbeitet, in sehr kurzer Zeit bestimmte Algorithmen zur Verarbeitung von Quantendaten implementieren, beispielsweise solche zur Faktorisierung großer natürlicher Zahlen in Primfaktoren. Anstatt Millionen von Jahren zu berechnen, wird das Ergebnis in nur wenigen Stunden oder sogar Minuten vorliegen.

Quanteninformationen haben bereits ihre erste kommerzielle Anwendung gefunden. Quantenkryptographiegeräte, Datenverschlüsselungsverfahren, bei denen die Quantengesetze der Informationsverarbeitung eine vollständige Vertraulichkeit der ausgetauschten Inhalte garantieren, sind seit einigen Jahren auf dem Markt erhältlich. Derzeit wird die Quantenverschlüsselung von einigen Banken verwendet, in Zukunft wird die Technologie höchstwahrscheinlich versagen und beispielsweise vollständig sichere Geldautomatentransaktionen oder Internetverbindungen ermöglichen. Zweimal monatlich erscheinende „Reports on Mathematical Physics“, die die bahnbrechenden Arbeiten von Prof. Ingarden Quantum Information Theory ist eine von zwei Zeitschriften, die von der Abteilung für Mathematische Physik des Instituts für Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität herausgegeben werden; das andere ist "Offene Systeme und Informationsdynamik". Beide Zeitschriften stehen auf der Liste der einflussreichsten wissenschaftlichen Zeitschriften des Philadelphia Thomson Scientific Master Journal. Darüber hinaus ist "Open Systems and Information Dynamics" in der Gruppe der vier (von 60) polnischen wissenschaftlichen Zeitschriften mit den höchsten Punktzahlen im Ranking des Ministeriums für Wissenschaft und Hochschulbildung enthalten. (Das Material basiert auf einer Pressemitteilung des Nationalen Labors für Quantentechnologien und des Instituts für Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität Toruń)