Квантовые вычисления

Квантовые вычисления объединяют идеи классической теории информации, информатики и квантовой физики. Цель этого обзора — рассмотреть не только квантовые вычисления, но и всю область квантовой теории информации. Информацию можно определить как наиболее общее понятие, обозначающее то, что должно распространяться от причины к следствию. Поэтому она играет фундаментально важную роль в физике. Однако математическое описание информации, особенно обработки информации, является относительно недавним достижением и относится к середине XX века. Вследствие этого полное значение информации как фундаментального понятия физики начинают осознавать лишь в настоящее время. Особенно справедливо это для квантовой механики. Теория квантовой информации и квантовых вычислений обеспечивает прочную основу для понимания этого значения и привела к глубоким и захватывающим новым представлениям о мире природы. К ним относятся использование квантовых состояний для обеспечения безопасной передачи классической информации (квантовая криптография), использование квантовой запутанности для надежной передачи квантовых состояний (телепортация), возможность сохранения квантовой когерентности в присутствии необратимых шумовых процессов (квантовая коррекция ошибок) и использование управляемой квантовой эволюции для эффективных вычислений (квантовые вычисления). Общей темой всех этих достижений является использование квантовой запутанности как вычислительного ресурса. Оказывается, теория информации и квантовая механика очень хорошо согласуются друг с другом. Для объяснения их взаимосвязи обзор начинается с введения в классическую теорию информации и информатику, включая теорему Шеннона, коды с исправлением ошибок, машины Тьюринга и вычислительную сложность. Затем излагаются принципы квантовой механики и описывается эксперимент Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР). Корреляции ЭПР—Белла и квантовая запутанность в целом образуют важнейший новый компонент, отличающий квантовые вычисления от…