Πηγές πληροφορίας και εργασίες με την πληροφορία

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούμε στην προσπάθειά μας να καταλάβουμε τις ανωτέρου επιπέδου αρχές που ισχύουν εκεί όπου το κβαντικό συναντά το πολύπλοκο, προέρχονται από την κλασσική θεωρία πληροφορίας, με κατάλληλες αφαιρέσεις και προεκτάσεις.

Τελευταία ο Benjamin W. Schumacher πρότεινε ότι τα θεμελιώδη στοιχεία της επιστήμης της πληροφορίας, τόσο της κλασσικής όσο και της κβαντικής, μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω τρία βήματα: 

• 1. Αναγνωρίστε μια φυσική πηγή. Ένα γνωστό κλασσικό παράδειγμα είναι μια ακολουθία από μπιτς. Αν και τα bits θεωρούνται συχνά αφηρημένες έννοιες, φέρου όμως όλη την πληροφορία που περιέχεται στα πραγματικά φυσικά αντικείμενα. Θεωρούνται λοιπόν ως φυσικές πηγές. 

• 2. Αναγνωρίστε μια εργασία επεξεργασίας πληροφορίας που μπορεί να εκτελεστεί χρησιμοποιώντας τη φυσική πηγή του βήματος 1. Ένα κλασσικό παράδειγμα είναι το έργο συμπίεσης που μπορεί να υποστεί η έξοδος μιας πηγής πληροφορίας (για παράδειγμα το κείμενο ενός βιβλίου), σε μια σειρά από bits και στη συνέχεια η αποσυμπίεσή του - δηλαδή η ανάκτηση της αρχικής πληροφορίας από την συμπιεσμένη σειρά των bits.  

• 3. Προσδιορίστε ένα κριτήριο επιτυχούς περάτωσης του έργου του βήματος 2. Στο παράδειγμά μας το κριτήριο θα μπορούσε να είναι, το εξαγόμενο της αποσυμπίεσης να ταιριάζει τέλεια με την είσοδο στο στάδιο της συμπίεσης. 

Η θεμελιώδης ερώτηση στην επιστήμη της πληροφορίας είναι: "Ποια είναι η ελάχιστη ποσότητα της φυσικής πηγής (1) που χρειαζόμαστε για να εκτελέσουμε την εργασία επεξεργασίας πληροφορίας (2) έτσι ώστε αυτή να ικανοποιεί το κριτήριο (3); Αν και η ερώτηση αυτή δεν καλύπτει όλη την επιστήμη της πληροφορίας, μας δίνει ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνά μας στο πεδίο αυτό. 

Το παράδειγμα της συμπίεσης δεδομένων αντιστοιχεί σε μια βασική ερώτηση της κλασσικής επιστήμης της πληροφορίας. Ποιος είναι δηλαδή ο ελάχιστος αριθμός των μπιτς που χρειάζεται για να αποθηκευτεί η πληροφορία που παράγεται από κάποια πηγή. Αυτό το πρόβλημα λύθηκε από τον Claude E. Shannon στην περίφημη εργασία του του 1948 με την οποία και ιδρύθηκε η επιστήμη της πληροφορίας. Ο Shannon προσπαθούσε να  ποσοτικοποιήσει το περιεχόμενο της πληροφορίας που παράγεται από μια πηγή πληροφορίας. Ταύτισε λοιπόν αυτό το περιεχόμενο με τον ελάχιστο αριθμό των μπιτς που απαιτούνται για να αποθηκεύσουμε το εξαγόμενο της πηγής αξιόπιστα. Η μαθηματική έκφραση για το ενεργειακό αυτό περιεχόμενο είναι σήμερα γνωστή ως εντροπία του Shannon.

Η εντροπία του Shannon προκύπτει ως απάντηση σε μια απλή θεμελιώδη ερώτηση για την επεξεργασία της κλασικής πληροφορίας.

Δεν προκαλεί ίσως έκπληξη το γεγονός ότι η μελέτη των ιδιοτήτων της εντροπίας του Shannon έχει αποδειχτεί χρήσιμη κατά την ανάλυση διαδικασιών πολύ πιο περίπλοκων από τη συμπίεση δεδομένων.

Για παράδειγμα, παίζει κεντρικό ρόλο στον υπολογισμό, πόση πληροφορία μπορεί να μεταδοθεί αξιόπιστα μέσα από ένα δίαυλο επικοινωνίας με θόρυβο και ακόμα στην κατανόηση φαινομένων όπως το στοίχημα και η συμπεριφορά των χρηματιστηρίων.

Ένα γενικό θέμα στην επιστήμη της πληροφορίας είναι ότι οι ερωτήσεις για τις στοιχειώδεις διαδικασίες οδηγούν σε ενοποίηση των ιδεών οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε διερεύνηση πιο πολύπλοκων διαδικασιών. 

Πρόσθετο κείμενο

Οι επιστήμονες της κβαντικής πληροφορίας ασχολούνται ακόμα με την απεικόνιση των προβλημάτων στο πεδίο τους.

Μερικές απλούστερες διαδικασίες όπως η τηλεμεταφορά και η κβαντική κρυπτογραφία, έχουν κατανοηθεί καλά.

Σε αντίθεση, πολύπλοκα φαινόμενα όπως η διόρθωση κβαντικών λαθών και ο αλγόριθμος παραγοντοποίησης Shor περιβάλλονται από μεγάλες περιοχές που είναι ουσιαστικά terra incognita.

Μια προσπάθεια να γεφυρωθούν τα χάσματα μεταξύ του απλού και του πολύπλοκου είναι η δουλειά για την κατανόηση της θεωρίας της διεμπλοκής. Ο ρόλος της θεωρίας αυτής παρομοιάζεται με τον αντίστοιχο ρόλο της ενέργειας μέσα στα πλαίσια της θερμοδυναμικής. 

Στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας, τα 3 βήματα που έθεσε ο Schumacher αποκτούν νέο περιεχόμενο.

Ποιες νέες φυσικές πηγές είναι διαθέσιμες στην κβαντομηχανική; Ποιές εργασίες επεξεργασίας της πληροφορίας μπορούμε να εκτελέσουμε; Ποια είναι τα κατάλληλα κριτήρια για να διαπιστώσουμε αν πέτυχε η εργασία μας; Οι φυσικές πηγές τώρα περιλαμβάνουν καταστάσεις με υπέρθεση, σαν την εξιδανικευμένη νεκρή και ζωντανή γάτα του Schrödinger.

Οι διαδικασίες μπορούν να περιλαμβάνουν διαχείριση διεμπλοκών (μυστηριώδεις κβαντικοί συσχετισμοί) μεταξύ αντικειμένων σε μεγάλες μεταξύ τους αποστάσεις. Τα κριτήρια της επιτυχίας γίνονται πιο εκλεπτυσμένα από αυτά της κλασσικής περίπτωσης, διότι για να εξάγουμε το αποτέλεσμα από μια διαδικασία χειρισμού κβαντικής πληροφορίας, πρέπει να παρατηρήσουμε ή να μετρήσουμε το σύστημα - πράγμα που αναπόφευκτα το αλλάζει, καταστρέφοντας την υπέρθεση που είναι μοναδικό γνώρισμα της κβαντικής φυσικής.