การคำนวณควอนตัมและข้อมูลควอนตัม
ไมเคิล เอ. นีลเส็น &ไอแซก แอล. จวง
สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์: 2000 700 หน้า 80 ปอนด์, 130 ดอลลาร์ (hbk), 29.95 ปอนด์, 48 ดอลลาร์ (pbk)
คอมเว็บสล็อตพิวเตอร์ควอนตัมเป็นอุปกรณ์ที่จัดเก็บและประมวลผลข้อมูลในระดับอะตอม นิวเคลียส และโฟตอน ทศวรรษที่ผ่านมามีงานจำนวนมากเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมและข้อมูลควอนตัม สำหรับนักทฤษฎีแล้ว การคำนวณด้วยควอนตัมให้กระบวนทัศน์ใหม่ที่มีแรงจูงใจทางกายภาพสำหรับการประมวลผลข้อมูล สำหรับนักทดลอง ข้อมูลควอนตัมและการคำนวณให้ชุดของความท้าทายทางเทคนิคที่ยาก ซึ่งหากสามารถทำได้ จะส่งผลให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมที่มีคุณค่า ฟิลด์นี้อยู่ระหว่างการปฏิวัติ
แต่นี่เป็นการปฏิวัติครั้งที่สองในกลศาสตร์ควอนตัมและข้อมูล ครั้งแรกเริ่มต้นด้วยการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัมเอง การที่ต้นกำเนิดของกลศาสตร์ควอนตัมเชื่อมโยงกับข้อมูลในตอนแรกอาจดูแปลก ท้ายที่สุดแล้ว กลศาสตร์ควอนตัมก็มีอายุหนึ่งศตวรรษแล้ว และทฤษฎีสารสนเทศมีอายุเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น แต่สูตรพื้นฐานของทฤษฎีสารสนเทศได้รับการพัฒนาในช่วงหลังของศตวรรษที่สิบเก้า ในด้านกลศาสตร์สถิติ และรวมอยู่ในกลศาสตร์ทางสถิติรุ่นควอนตัมในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 แมกซ์เวลล์ โบลซ์มันน์ และกิ๊บส์ ตระหนักดีว่าปริมาณเชิงสถิติที่เรียกว่าเอนโทรปีเป็นข้อมูลรูปแบบหนึ่ง ซึ่งเป็นข้อมูลเกี่ยวกับสถานะจุลภาคของของเหลว ก๊าซ หรือของแข็งที่เราไม่มี
การปฏิวัติครั้งแรกนี้เกิดขึ้นเนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัมจำกัดปริมาณข้อมูล ซึ่งวัดเป็นหน่วยบิต ซึ่งสามารถวัดได้ในระบบกายภาพ และสามารถวัดปริมาณได้อย่างแม่นยำ ส่งผลให้เกิดทฤษฎีร่วมสมัยของกลศาสตร์สถิติและฟิสิกส์โซลิดสเตต เช่นเดียวกับข้อจำกัดด้านควอนตัมต่อความสามารถของช่องทางการสื่อสาร การปฏิวัติครั้งที่สองเกิดขึ้นเนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัมมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดและตอบโต้ได้หลายอย่างซึ่งอยู่ภายใต้ชื่อรวมของ ‘ความแปลกประหลาดของควอนตัม’
ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 Paul Benioff แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์สามารถทำงานในลักษณะที่คงไว้ซึ่งลักษณะที่สอดคล้องกันหรือคล้ายคลื่นของกลศาสตร์ควอนตัมที่รับผิดชอบต่อความแปลกประหลาดของควอนตัม จากนั้น Richard Feynman และ David Deutsch ได้เสนอแนวทางที่เป็นไปได้ในการใช้ประโยชน์จากความแปลกประหลาดนี้เพื่อเอาชนะคอมพิวเตอร์คลาสสิก แต่แอปพลิเคชันที่แนะนำโดย Feynman และ Deutsch แม้ว่าจะเป็นเรื่องที่น่าสนใจ แต่ก็ไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นให้เกิดการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในวงกว้าง และไม่มีใครรู้วิธีสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวอยู่ดี
จนกระทั่งช่วงทศวรรษ 1990 Peter Shor
ได้แสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัม ถ้าสามารถสร้างได้ ก็สามารถนำมาใช้เพื่อแยกตัวประกอบจำนวนมากได้ นี่เป็นปัญหากับแอปพลิเคชันที่สำคัญในการสื่อสารและการเข้ารหัส (โดยพื้นฐานแล้ว ความปลอดภัยของสิ่งที่เรียกว่า ‘กุญแจสาธารณะ’ ระบบเข้ารหัส ซึ่งใช้ในการทำธุรกรรมที่ปลอดภัยบนอินเทอร์เน็ต ขึ้นอยู่กับตัวเลขจำนวนมากที่แยกปัจจัยได้ยาก ดังนั้น การแยกตัวประกอบจึงเป็น ‘แอปพลิเคชันนักฆ่า’ สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม)
นอกจากนี้ นักวิจัยจำนวนหนึ่งแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เทคโนโลยีควอนตัมที่มีอยู่ เช่น ควอนตัมออปติกและการเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ มีการสร้างการออกแบบและสร้างและใช้งานอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลควอนตัมต้นแบบ พบโปรโตคอลการสื่อสารควอนตัม และรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมได้รับการพัฒนาเพื่อปกป้องข้อมูลควอนตัมจากสัญญาณรบกวนและการถอดรหัส การปฏิวัติข้อมูลและกลศาสตร์ควอนตัมครั้งที่สองได้เริ่มต้นขึ้น
การปฏิวัติต้องการข้อความ หลายปีที่ผ่านมา ข้อความมาตรฐานสำหรับหลักสูตรเกี่ยวกับข้อมูลควอนตัมและการคำนวณคือบันทึกย่อบนเว็บที่ยอดเยี่ยมของ John Preskill (ดูhttp://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229 ; มีให้บริการในเวอร์ชันขยายแล้ว โดยมี Alexei Kitaev เป็นผู้เขียนร่วม) หนังสือเล่มนี้โดย Michael Nielsen และ Isaac Chuang ครอบคลุมมากขึ้นและเกี่ยวข้องกับหัวข้อที่กว้างขึ้น นอกจากนี้ยังมีเนื้อหาแนะนำเพิ่มเติมพร้อมแบบฝึกหัดและปัญหาซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับผู้อ่านที่ไม่มีพื้นฐานทางฟิสิกส์
แม้ว่าข้อมูลควอนตัมและการคำนวณจะมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่หนังสือเล่มนี้เขียนขึ้นหลังจากที่เครื่องมืออัลกอริธึมและทางกายภาพพื้นฐานของภาคสนามมีรูปแบบมาตรฐานแล้ว ดังนั้นข้อความจึงมีเนื้อหาทั้งหมดที่อาจครอบคลุมในหลักสูตรเกี่ยวกับข้อมูลควอนตัม
ฉันใช้เป็นตำราเรียนสำหรับหลักสูตรเบื้องต้นในการคำนวณควอนตัมที่สถาบันของฉัน ในตอนท้ายของภาคเรียน ชั้นเรียนถูกสำรวจแง่มุมต่างๆ ของหนังสือ คำตอบเป็นไปในเชิงบวกอย่างสม่ำเสมอ: หนังสือได้รับคะแนน 5 จาก 5 สำหรับความครอบคลุม 4 จาก 5 สำหรับความชัดเจน และ 4 จาก 5 สำหรับปัญหาและแบบฝึกหัด ภายในสัปดาห์แรก นักเรียนได้ตั้งชื่อเล่นให้กับมันว่า “ไมค์ ‘n’ ไอค์” ตามชื่อของผู้แต่ง
ข้อความที่ครอบคลุมและเข้มงวดเกี่ยวกับข้อมูลควอนตัมนั้นทันเวลา การศึกษาข้อมูลควอนตัมและการคำนวณเป็นเส้นทางที่ตรงอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม ต่างจากเส้นทางดั้งเดิมสู่กลศาสตร์ควอนตัมผ่านสมการของชโรดิงเงอร์และอะตอมไฮโดรเจน การศึกษาข้อมูลควอนตัมไม่จำเป็นต้องใช้แคลคูลัส เพียงแค่ความรู้เกี่ยวกับจำนวนเชิงซ้อนและการคูณเมทริกซ์ นอกจากนี้ การประมวลผลข้อมูลควอนตัมยังให้การเข้าถึงโดยตรงไปยังหัวข้อขั้นสูงแบบดั้งเดิมของการวัดระบบควอนตัมและการถอดรหัส
สุดท้าย การทำความเข้าใจข้อมูลในบริบททางกลควอนตัมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมรุ่นต่อไป เช่น วงจรระดับนาโน เซ็นเซอร์ มอเตอร์ และอุปกรณ์จับเวลา ในระดับนาโนและด้านล่าง ข้อมูลมีบทบาทสำคัญพอๆ กับพลังงานในการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าว การคำนวณควอนตัมและข้อมูลควอนตัมเป็นสิ่งที่ต้องอ่านสำหรับรุ่นวิศวกรควอนตัมเครื่องกลรุ่นใหม่ที่จะสร้างเทคโนโลยีแห่งอนาคตเว็บสล็อต
