Kvant informasiya elmi

Kvant informasiya elmi (ing. Quantum Information Science – QIS) — kvant mexanikasının prinsiplərindən istifadə edərək məlumatların necə emal edildiyini, ötürüldüyünü və saxlandığını öyrənən bir sahədir. Bu sahə ənənəvi informasiyanın emalı və idarə edilməsinə nisbətən daha sürətli və daha effektiv metodlar təklif edir. Klassik kompüterlərin sərhədlərini aşmaq və müasir texnologiyada inqilabi dəyişikliklər etmək potensialına sahib olan kvant informasiya elmi kvant hesablama, kvant kriptoqrafiya və kvant teleporta kimi sahələri əhatə edir.^[1]

Əsas prinsipləri

Qubit — klassik informasiya texnologiyasında məlumatlar bitlərlə (0 və 1) kodlanır. Kvant informasiya elmində isə qubit (kvant bit) anlayışı istifadə olunur. Qubitlər həm 0, həm də 1 vəziyyətində eyni anda ola bilər – buna superpozisiya deyilir. Bu, kvant kompüterlərinin klassik kompüterlərdən fərqli olaraq, bir anda daha çox məlumatı emal etməsinə imkan yaradır.
Superpozisiya — kvant mexanikasının ən əsas xüsusiyyətlərindən biri olan superpozisiya, kvant sistemlərinin eyni anda bir neçə vəziyyətdə ola biləcəyini göstərir. Klassik kompüterlər 0 və 1-ləri ayrı-ayrı vəziyyətlərdə saxlayır, lakin qubitlər eyni anda həm 0, həm də 1 ola bilir. Bu, paralel hesablamalar üçün inanılmaz bir güc təmin edir və kvant kompüterlərinin sürətli hesablama qabiliyyətini izah edir.
Qarışıqlıq (ing. Entanglement) — kvant qarışıqlığı (entanglement) kvant informasiya elminin ən vacib fenomenlərindən biridir. İki və ya daha çox qubit bir-biri ilə qarışıq vəziyyətdə ola bilər və bir-birindən məsafədə olsalar belə, bir qubitin vəziyyəti digərinə dərhal təsir edir. Bu xüsusiyyət, kvant kriptoqrafiya və kvant rabitəsində inqilabi imkanlar yaradır.
Ölçmə və qeyri-müəyyənlik — kvant sistemlərində məlumatın ölçülməsi zamanı sistemin vəziyyəti çökür. Yəni, qubit superpozisiya vəziyyətində olarkən, onu ölçdükdə yalnız bir vəziyyəti (ya 0, ya da 1) görürük. Bu, kvant informasiyasını idarə edərkən qeyri-müəyyənlik prinsipinin də böyük rol oynadığını göstərir.^[2]

Əsas sahələri

Kvant hesablama (ing. Quantum Computing) — kvant hesablama ənənəvi kompüterlərə nisbətən daha mürəkkəb problemləri həll etmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Kvant kompüterləri qubitlərdən istifadə edərək çox böyük məlumatları paralel şəkildə emal edə bilir. Bununla yanaşı, kvant alqoritmləri bəzi problemləri (məsələn, mürəkkəb matematik problemlər və ya böyük verilənlər bazalarının axtarışı) klassik kompüterlərə nisbətən eksponensial dərəcədə daha sürətli həll edə bilər. Şor alqoritmi və Qrover alqoritmi kimi kvant alqoritmləri bu sahədə mühüm addımlardır.^[3]
Kvant kriptoqrafiya (ing. Quantum Cryptography) — kvant kriptoqrafiya, məlumatların təhlükəsizliyini təmin etmək üçün kvant mexanikasının prinsiplərindən istifadə edir. Ən məşhur kvant kriptoqrafiya texnologiyalarından biri kvant açar paylanmasıdır (ing. Quantum Key Distribution – QKD). Bu texnologiya məlumatın sındırılmasını və ya izlənilməsini qeyri-mümkün edir, çünki hər hansı bir müdaxilə məlumatın məhv olmasına səbəb olur və izləmə dərhal aşkar edilir.
Kvant teleportasiya (ing. Quantum Teleportation) — kvant teleportasiya, məlumatın (vəziyyətin) bir yerdən digərinə fiziki vasitə olmadan ötürülməsi prosesidir. Bu, qarışıqlıq fenomenindən istifadə edərək mümkündür. Burada obyektlər fiziki olaraq hərəkət etmir, lakin kvant vəziyyəti bir yerdən digər yerə köçürülür. Kvant teleportasiya, gələcək kvant rabitə şəbəkələrinin qurulmasında əhəmiyyətli bir rol oynayacaq.
Kvant simulyasiyası (ing. Quantum Simulation) — kvant simulyasiya mürəkkəb fiziki sistemləri (məsələn, molekulların və ya kimyəvi reaksiyaların davranışını) modelləşdirmək üçün kvant kompüterlərindən istifadə edir. Tibb, kimya və material elmlərində yeni materiallar və dərmanların kəşfi üçün vacibdir, çünki klassik kompüterlər bu cür mürəkkəb sistemləri səmərəli şəkildə simulyasiya edə bilmirlər.

Tətbiqi sahələri

Dərmanların hazırlanması və molekulyar modelləşdirmə — kvant simulyasiyası mürəkkəb molekulların və kimyəvi reaksiyaların daha dəqiq modelləşdirilməsini mümkün edir. Bu, dərmanların və yeni materialların hazırlanmasında böyük irəliləyişlərə yol aça bilər.
Təhlükəsiz rabitə — kvant kriptoqrafiya ilə təmin edilən rabitə, məlumatların sındırılmadan ötürülməsini mümkün edir. Gələcəkdə kvant kriptoqrafiya dövlətlər, banklar və yüksək təhlükəsizlik tələb edən təşkilatlar üçün əsas rabitə üsulu ola bilər.
Süperkompüterlərin gücünü aşmaq — kvant kompüterləri mürəkkəb riyazi problemləri daha sürətli həll edə bildiyindən, süperkompüterlərin həll edə bilmədiyi problemlər üzərində işləmək üçün istifadə ediləcək. Bu, o cümlədən maliyyə modelləri, iqlim dəyişiklikləri və böyük məlumat təhlili kimi sahələrdə istifadə oluna bilər.
Süni intellekt və maşın öyrənmə — kvant kompüterləri süni intellekt və maşın öyrənmə alqoritmlərini sürətləndirmək və təkmilləşdirmək üçün istifadə oluna bilər. Kvant məlumat emalı bu alqoritmlərin klassik hesablama texnologiyalarına nisbətən daha sürətli öyrənmə qabiliyyətini təmin edir.^[4]

Çağırışları

Texnoloji çətinliklər — kvant kompüterlərinin inşası və genişmiqyaslı tətbiqi texnoloji olaraq hələ də böyük problemlər doğurur. Qubitlərin sabitliyi (dekoherensiya), kvant sistemlərinin mühafizəsi və kvant səhvlərinin aradan qaldırılması kimi problemlər hələ də həll edilməlidir.
Qanunvericilik və etik məsələlər — kvant kriptoqrafiya və kvant rabitəsinin inkişafı ilə bağlı qanunvericilik və etik məsələlər də gündəmə gəlir. Texnologiyalar dövlətlər və təşkilatlar arasında məlumat təhlükəsizliyi ilə bağlı yeni suallar ortaya qoyur.
Maliyyə və resurslar — kvant texnologiyalarının geniş tətbiqi üçün böyük maliyyə resursları və elmi-texnoloji infrastruktur tələb olunur. Hazırda bu sahədə qabaqcıl tədqiqatlar aparan az sayda ölkə və təşkilat mövcuddur.

Kvant informasiya elmi gələcək texnologiyaların inkişafı üçün böyük potensiala malik bir sahədir. Klassik hesablama və məlumat emalının məhdudiyyətlərini aşmaq üçün kvant kompüterləri, kvant kriptoqrafiya və digər texnologiyalar müasir dünyanın bir çox probleminə yeni həllər təklif edir. Ancaq bu sahə hələ də inkişaf mərhələsindədir və real dünyada genişmiqyaslı tətbiqləri üçün müəyyən texnoloji və nəzəri problemlərin həlli tələb olunur.

İstinadlar

↑ Shiba, K., Sakamoto, K., Yamaguchi, K., Malla, D.B. & Sogabe, T. 2019, Convolution filter embedded quantum gate autoencoder, Cornell University Library, arXiv.org, Ithaca.
↑ Chiu, Ching-Kai; Teo, Jeffrey C. Y.; Schnyder, Andreas P.; Ryu, Shinsei. "Classification of topological quantum matter with symmetries". Reviews of Modern Physics. 88 (3). August 31, 2016: 035005. arXiv:1505.03535. Bibcode:2016RvMP...88c5005C. doi:10.1103/RevModPhys.88.035005.
↑ Häner, Thomas; Jaques, Samuel; Naehrig, Michael; Roetteler, Martin; Soeken, Mathias. Improved Quantum Circuits for Elliptic Curve Discrete Logarithms // Ding, Jintai; Tillich, Jean-Pierre (redaktorlar ). Post-Quantum Cryptography. Lecture Notes in Computer Science (ingilis). Cham: Springer International Publishing. 2020. 425–444. arXiv:2001.09580. doi:10.1007/978-3-030-44223-1_23. ISBN 978-3-030-44223-1.
↑ Nielsen, Michael A.; Chuang, Isaac L. Quantum Computation and Quantum Information (10th anniversary). Cambridge: Cambridge University Press. June 2012. ISBN 9780511992773. OCLC 700706156.

Xarici keçidlər

Quantiki – quantum information science portal and wiki.
ERA-Pilot QIST WP1 European roadmap on Quantum Information Processing and Communication
QIIC – Quantum Information, Imperial College London.
QIP – Quantum Information Group, University of Leeds. The quantum information group at the University of Leeds is engaged in researching a wide spectrum of aspects of quantum information. This ranges from algorithms, quantum computation, to physical implementations of information processing and fundamental issues in quantum mechanics. Also contains some basic tutorials for the lay audience.
mathQI Research Group on Mathematics and Quantum Information.
CQIST Center for Quantum Information Science & Technology at the University of Southern California
CQuIC Center for Quantum Information and Control, including theoretical and experimental groups from University of New Mexico, University of Arizona.
CQT Centre for Quantum Technologies at the National University of Singapore
CQC2T Centre for Quantum Computation and Communication Technology
QST@LSU Quantum Science and Technologies Group at Louisiana State University

[1] Shiba, K., Sakamoto, K., Yamaguchi, K., Malla, D.B. & Sogabe, T. 2019, Convolution filter embedded quantum gate autoencoder, Cornell University Library, arXiv.org, Ithaca.

[2] Chiu, Ching-Kai; Teo, Jeffrey C. Y.; Schnyder, Andreas P.; Ryu, Shinsei. "Classification of topological quantum matter with symmetries". Reviews of Modern Physics. 88 (3). August 31, 2016: 035005. arXiv:1505.03535. Bibcode:2016RvMP...88c5005C. doi:10.1103/RevModPhys.88.035005.

[3] Häner, Thomas; Jaques, Samuel; Naehrig, Michael; Roetteler, Martin; Soeken, Mathias. Improved Quantum Circuits for Elliptic Curve Discrete Logarithms // Ding, Jintai; Tillich, Jean-Pierre (redaktorlar ). Post-Quantum Cryptography. Lecture Notes in Computer Science (ingilis). Cham: Springer International Publishing. 2020. 425–444. arXiv:2001.09580. doi:10.1007/978-3-030-44223-1_23. ISBN 978-3-030-44223-1.

[4] Nielsen, Michael A.; Chuang, Isaac L. Quantum Computation and Quantum Information (10th anniversary). Cambridge: Cambridge University Press. June 2012. ISBN 9780511992773. OCLC 700706156.

[1]

[2]

[3]

[4]