Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
На русском языке в последнее время стали появляться обзорные публикации, рассматривающие отдельные аспекты упомянутых проблем. Список некоторых из них приводится в конце предисловия. Недавно стало выходить в свет и периодическое издание «Квантовый компьютер» под редакцией академика В.А.Садовничего.
Особенно хотелось бы отметить содействие появлению русского издания со стороны издательства Шпрингер в лице г-жи Каролины Дэвис, редактора литературы по физике д-ра Келиха, а также редактора и одного из авторов английского издания проф. А.Цайлингера.
С.П.Кулик
Е.А.Шапиро
Т.А.Шмаонов
Дополнительная литература
1. Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Ред. Журнала «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск 1999.
2. Ю.И.Ожигов. Квантовый компьютер и его возможности. М., МГТУ «Станкин». 1999.
3. К.А.Валиев и А.А.Кокин. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Редакция журнала «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевск 2001, 352 с.
4. Б.Б.Кадомцев. Динамика и информация. М., Изд-во УФН, 2 изд. 1999г., 400 с.
5. С.Я.Килин. Квантовая информация. УФН 168, 507 (1999).
6. М.Б.Менский. Квантовая механика, новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов. УФН 170, №6, 631 (2000).
Предисловие к изданию на английском языке
Информация хранится, передаётся и обрабатывается с помощью физических средств. Значит, концепцию информации и вычисления можно сформулировать в контексте физической теории, а изучение информации, в конечном счете, требует проведения экспериментов. Это, безобидное на первый взгляд, предложение ведет к нетривиальным следствиям.
Согласно закону Мура, скорость микропроцессоров увеличивается вдвое примерно каждые 18 месяцев. Похоже, что единственный способ делать их существенно более быстрыми - это делать их меньше размером. В не слишком удаленном будущем они достигнут той отметки, когда логические элементы будут столь малы, что каждый из них будет состоять всего лишь из нескольких атомов. В этот момент станут важными квантовомеханические эффекты. Таким образом, если компьютеры должны становиться быстрее (а значит, меньше размером), то новая, квантовая технология должна заменить или дополнить то, что существует сейчас. Но оказывается, что такая технология может дать нам гораздо больше, чем просто более маленькие и быстрые микропроцессоры. Недавние теоретические результаты показали, что можно использовать квантовые эффекты, чтобы создать качественно новые пути вычислений и связи - в некоторых случаях гораздо более мощные, чем их классические аналоги.
Эта новая квантовая технология рождается сейчас во многих лабораториях. В последние два десятилетия были проведены эксперименты, в которых с небывалой точностью управляли и манипулировали единичными квантовыми частицами различных типов. Были реально проведены многие «мысленные» эксперименты, столь знаменитые в первые дни квантовой механики. Новые экспериментальные методики позволяют сейчас хранить и обрабатывать информацию, закодированную в индивидуальных квантовых системах. В результате у нас появилась новая область знаний - обработка квантовой информации, - которая представляет собой насыщенный сплав кванто-
Предисловие к изданию на английском языке 17
вой физики с наукой об информации и компьютерах. Её охват простирается от установления новых взглядов на природу физических законов до изучения возможного коммерческого применения результатов в компьютерной и коммуникационной индустрии.
Часть этой работы, ведущейся по всему миру, поддерживается Европейской комиссией, в рамках программы TMR (Training and Mobility of Researchers), через поддержку исследовательской сети «Физика квантовой информации». Главы этой книги написаны, в основном, участниками этой сети в различных формах сотрудничества. Все они направлены на то, чтобы дать дидактическое введение в важные. новые области знания. Кроме того, в нескольких разделах представлены важные результаты, полученные исследователями, находящимися вне рамок программы TMR. Однако, мы не стремились написать монографию, дающую полный обзор науки о квантовой информации. Исследования в этой области ведутся очень активно, и любой всесторонний обзор очень быстро бы устарел. Эта книга охватывает такие вопросы, как теоретические и экспериментальные аспекты квантового перепутывания, квантовой криптографии, квантовой телепортации, квантовых вычислений, декогеренции квантовых состояний, исправления квантовых ошибок и квантовой коммуникации.
Мы надеемся, что наша книга станет полезным пособием для всех читателей, обладающих некоторыми познаниями в квантовой механике и испытывающих неподдельный интерес к удивительным возможностям, которые она нам предлагает.
Мы очень благодарны Томасу Дженневейну за многочисленные рисунки, нарисованные им для этой книги.
Оксфорд, Вена. Март 2000г. Дик Боумейстер
Артур Экерт Антон Цайлингер
Физика квантовой информации: основные понятия
Д. Боумейстер, А. Цайлингер
1.1 Квантовая суперпозиция
Принцип суперпозиции играет центральную роль во всех рассмотрениях квантовой информации, как и в большинстве мысленных экспериментов и парадоксов квантовой механики. Вместо того, чтобы изучать его теоретически или определять его абстрактно, мы обсудим здесь эксперимент, являющийся квинтэссенцией принципа квантовой суперпозиции - эксперимент с двумя щелями (Рис. 1.1). Согласно Фейнману [1], он «заключает в себе сердце квантовой механики». Необходимые составляющие этого эксперимента - это источник, диафрагма из двух щелей, и экран, на котором мы наблюдаем интерференционную картину. Природу этой интерференционной картины можно легко понять, если исходить из волновых свойств частиц, вылетающих из источника. Здесь можно заметить, что эксперимент с двумя щелями проводился с частицами различных типов, от фотонов [2] и электронов [3] до нейтронов [4] и атомов [5]. С точки зрения квантовой механики, состояние на экране - это когерентная суперпозиция
