Thông tin lượng tử

Thông tin lượng tử (Quantum information) là thông tin về trạng thái của một hệ lượng tử. Đây là thực thể cơ bản được nghiên cứu trong khoa học thông tin lượng tử, và có thể được thao tác bằng các kỹ thuật xử lý thông tin lượng tử. Thông tin lượng tử đề cập đến cả định nghĩa kỹ thuật về mặt entropy von Neumann và thuật ngữ tính toán chung. Đây là một lĩnh vực liên ngành bao gồm cơ học lượng tử, khoa học máy tính, lý thuyết thông tin, triết học và mật mã học cùng các lĩnh vực khác. Việc nghiên cứu nó cũng liên quan đến các ngành như khoa học nhận thức, tâm lý học và khoa học thần kinh. Trọng tâm chính của nó là trích xuất thông tin từ vật chất ở quy mô vi mô. Quan sát trong khoa học là một trong những cách quan trọng nhất để thu nhận thông tin và phép đo là cần thiết để định lượng quan sát, làm cho điều này trở nên quan trọng đối với phương pháp khoa học. 

Trong cơ học lượng tử, do nguyên lý bất định, các đại lượng quan sát được không giao hoán không thể được đo chính xác đồng thời, vì một trạng thái riêng trong cơ sở này không phải là một trạng thái riêng trong cơ sở kia. Theo liên kết trạng thái riêng–giá trị riêng, một đại lượng quan sát được xác định rõ (xác định) khi trạng thái của hệ là một trạng thái riêng của đại lượng quan sát đó. Vì bất kỳ hai đại lượng quan sát không giao hoán nào cũng không được xác định rõ đồng thời, một trạng thái lượng tử không bao giờ có thể chứa thông tin xác định về cả hai đại lượng quan sát không giao hoán. Dữ liệu có thể được mã hóa vào trạng thái lượng tử của một hệ lượng tử dưới dạng thông tin lượng tử. Trong khi cơ học lượng tử giải quyết việc kiểm tra các tính chất của vật chất ở cấp độ vi mô, khoa học thông tin lượng tử tập trung vào việc trích xuất thông tin từ các tính chất đó, và tính toán lượng tử thao tác và xử lý thông tin – thực hiện các phép toán logic – bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý thông tin lượng tử. Thông tin lượng tử, giống như thông tin cổ điển, có thể được xử lý bằng máy tính kỹ thuật số, truyền từ vị trí này sang vị trí khác, thao tác bằng các thuật toán, và phân tích bằng khoa học máy tính và toán học. Giống như đơn vị cơ bản của thông tin cổ điển là bit, thông tin lượng tử xử lý các qubit. Thông tin lượng tử có thể được đo lường bằng entropy von Neumann. Gần đây, lĩnh vực tính toán lượng tử đã trở thành một khu vực nghiên cứu tích cực vì khả năng phá vỡ các phương thức tính toán, truyền thông và mật mã học hiện đại.

Lịch sử
Lịch sử của lý thuyết thông tin lượng tử bắt đầu vào đầu thế kỷ XX khi vật lý cổ điển được cách mạng hóa thành vật lý lượng tử. Các lý thuyết vật lý cổ điển đã dự đoán những điều vô lý như thảm họa cực tím, hoặc các electron xoắn ốc lao vào hạt nhân. Lúc đầu, những vấn đề này bị gạt sang một bên bằng cách thêm các giả thuyết đặc biệt (ad hoc) vào vật lý cổ điển. Chẳng bao lâu sau, rõ ràng là một lý thuyết mới phải được tạo ra để giải thích những điều vô lý này, và lý thuyết cơ học lượng tử đã ra đời. Cơ học lượng tử được xây dựng do công của Erwin Schrödinger sử dụng cơ học sóng và Werner Heisenberg sử dụng cơ học ma trận. Sự tương đương của các phương pháp này đã được chứng minh sau đó. Các công thức của họ mô tả động lực học của các hệ vi mô nhưng có một số khía cạnh chưa thỏa đáng trong việc mô tả các quá trình đo lường. Von Neumann đã xây dựng lý thuyết lượng tử bằng cách sử dụng đại số toán tử theo cách mô tả cả phép đo và động lực học. Những nghiên cứu này nhấn mạnh các khía cạnh triết học của phép đo hơn là cách tiếp cận định lượng để trích xuất thông tin qua các phép đo.

Vào những năm 1960, Ruslan Stratonovich, Carl Helstrom và Gordon đã đề xuất một công thức về truyền thông quang học sử dụng cơ học lượng tử. Đây là sự xuất hiện lịch sử đầu tiên của lý thuyết thông tin lượng tử. Họ chủ yếu nghiên cứu xác suất lỗi và dung lượng kênh cho truyền thông. Sau đó, Alexander Holevo đã thu được một giới hạn trên của tốc độ truyền thông trong việc truyền tải một thông điệp cổ điển qua một kênh lượng tử. Vào những năm 1970, các kỹ thuật thao tác các trạng thái lượng tử đơn nguyên tử, chẳng hạn như bẫy nguyên tử và kính hiển vi quét đường hầm, bắt đầu được phát triển, giúp có thể cô lập các nguyên tử đơn lẻ và sắp xếp chúng thành các mảng. Trước những phát triển này, việc kiểm soát chính xác các hệ lượng tử đơn lẻ là không thể, và các thí nghiệm sử dụng sự kiểm soát thô hơn, đồng thời trên một số lượng lớn các hệ lượng tử. Sự phát triển của các kỹ thuật thao tác đơn trạng thái khả thi đã dẫn đến sự quan tâm gia tăng đối với lĩnh vực thông tin và tính toán lượng tử. Với sự ra đời của những ý tưởng mang tính cách mạng của Alan Turing về một máy tính có thể lập trình, hay máy Turing, ông đã chỉ ra rằng bất kỳ phép tính nào trong thế giới thực đều có thể được chuyển dịch thành một phép tính tương đương liên quan đến một máy Turing.

Chú thích

Cơ học lượng tử