Kwantowa teoria informacji
Roman S. IngardenPraca ta po raz pierwszy prezentowała zarys systematycznej konstrukcji kwantowej teorii informacji, która obecnie należy do ?najmodniejszych ?działów fizyki. W jej narodzinach uczestniczyło wiele osób. Na przełomie lat 60. i 70. w kierowanym przez prof. Ingardena Zakładzie Fizyki Matematycznej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu prowadzono badania nad związkiem teorii informacji z innymi podstawowymi teoriami współczesnej fizyki. Powstało wówczas wiele prac naukowych, w których dociekano reguł rządzących przepływem informacji w procesach termodynamicznych i kwantowych. ?W tamtych latach było to niezwykle nowatorskie podejście, swoista ekstrawagancja intelektualna, balansująca na pograniczu fizyki i filozofii. Na świecie miało wąską rzeszę zwolenników, którzy często odwiedzali nasz instytut, aby bezpośrednio współpracować z zespołem profesora Ingardena? ? mówi prof. Andrzej Jamiołkowski z Instytutu Fizyki UMK. Właśnie w tamtym okresie do fizyki teoretycznej wprowadzono powszechnie dziś używane pojęcia generatora ewolucji Lindblada-Kossakowskiego oraz izomorfizmu Jamiołkowskiego. Intuicje prof. Ingardena dotyczące fundamentalnego znaczenia pojęcia informacji w fizyce okazały się trafne.
W latach 90. ubiegłego wieku, dzięki gwałtownemu rozwojowi technik doświadczalnych fizyki kwantowej, przeprowadzono pierwsze eksperymenty z użyciem obiektów kwantowych, takich jak np. fotony, do zapisywania i przesyłania informacji. Doświadczenia te otworzyły drogę do opracowania nowych, niezwykle wydajnych kwantowych technologii komunikacyjnych. Wyniki wywołały olbrzymie zainteresowanie świata nauki i techniki. Kwantowa teoria informacji stała się pełnoprawną i niezwykle modną gałęzią dzisiejszej fizyki. Obecnie zagadnienia związane z informacją kwantową są badane w ośrodkach naukowych całego świata, jest to jedna z najpopularniejszych i najdynamiczniej rozwijających się gałęzi fizyki, o obiecującej przyszłości.
Współczesne komputery działają według reguł fizyki klasycznej. Obwody elektroniczne stają się jednak tak małe, że niedługo będzie można w nich zauważyć efekty charakterystyczne dla świata kwantów. Wówczas sam proces miniaturyzacji zmusi nas do zmiany reguł gry, z klasycznych na kwantowe wyjaśnia perspektywy rozwoju informatyki kwantowej dr Miłosz Michalski z Zakładu Fizyki Teoretycznej Instytutu Fizyki UMK. Kwantowa informacja charakteryzuje się wieloma nieintuicyjnymi cechami, np. w ogólności nie można jej kopiować, podczas gdy kopiowanie klasycznej informacji nie przysparza kłopotów. Od niedawna również wiadomo, że informacja kwantowa może być ujemna to szczególnie zaskakujące, bo zazwyczaj spodziewamy się, że układ po otrzymaniu porcji informacji będzie zawierał jej więcej. Jednak najbardziej niezwykłą z klasycznego, ludzkiego punktu widzenia, a przy tym potencjalnie bardzo użyteczną cechą stanów kwantowych jako nośników kwantowej informacji jest możliwość tworzenia z nich superpozycji stanów.
Współczesne komputery operują na klasycznych bitach, które w danym momencie mogą się znajdować tylko w jednym z dwóch stanów, umownie nazywanych "0" i "1". Bity kwantowe są inne: mogą istnieć w dowolnej mieszaninie (superpozycji) stanów i dopiero przy odczytywaniu przez nas wartości przyjmują wartość "0" lub "1". Różnicę widać wraz ze wzrostem ilości przetwarzanej informacji. Klasyczny komputer, operujący na 10 bitach, w jednym kroku może przetwarzać tylko jeden z 1024 (2^10) stanów takiego rejestru, podczas gdy komputer operujący na bitach kwantowych przetworzyłby je wszystkie ? także w jednym kroku.
Zwiększenie liczby bitów kwantowych do np. 100 otwierałoby możliwość przetworzenia w pojedynczym cyklu ponad tysiąca miliardów miliardów miliardów stanów. Komputer operujący na dostatecznie wielu bitach kwantowych mógłby więc w niezwykle krótkim czasie realizować pewne kwantowe algorytmy przetwarzania danych, np. dotyczące rozkładu wielkich liczb naturalnych na czynniki pierwsze. Zamiast po milionach lat obliczeń, wynik byłby gotowy po upływie zaledwie godzin lub nawet minut.
Informacja kwantowa znalazła już pierwsze zastosowania komercyjne. Od kilku lat na rynku są dostępne urządzenia do kryptografii kwantowej, metody szyfrowania danych, w której kwantowe prawa przetwarzania informacji gwarantują całkowitą dyskrecję wymienianych treści. Na razie kwantowe szyfrowanie stosują niektóre banki, w przyszłości technologia z pewnością stanieje i pozwoli np. na realizację całkowicie bezpiecznych transakcji bankomatowych lub połączeń internetowych. Dwumiesięcznik "Reports on Mathematical Physics", gdzie opublikowano pionierską pracę prof. Ingardena z kwantowej teorii informacji, jest jednym z dwóch periodyków redagowanych w Zakładzie Fizyki Matematycznej Instytutu Fizyki UMK; drugim jest "Open Systems and Information Dynamics". Oba czasopisma znajdują się na liście filadelfijskiej Thomson Scientific Master Journal List, obejmującej najbardziej wpływowe periodyki naukowe. Dodatkowo "Open Systems and Information Dynamics" należy do grupy czterech (spośród 60) najwyżej punktowanych polskich czasopism naukowych w rankingu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. (materiał na podstawie informacji prasowej Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych i Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu)
