المعلومات الكمومية هي حل المشكلات ومعالجة البيانات باستخدام نظام كمي كحامل للمعلومات، بدلاً من الأرقام الثنائية والصفر المستخدمة في العمليات الحسابية التقليدية، ويمكن أن تكون أنظمة المعلومات الكمومية قادرة على نقل البيانات الآمنة بشكل أساسي وحل المشكلات التي تتجاوز قوة أجهزة الكمبيوتر الحديثة.
ما هي المعلومات الكمومية
يتم تخزين معظم المعلومات في هياكل كبيرة نسبيًا؛ كالكتب والرسائل النصية والحمض النووي وأجهزة الكمبيوتر؛ حيث أن المعلومات الكمومية هي معلومات مخزنة في هياكل صغيرة جدًا تسمى الكيوبتات، ويمكن صنع الكيوبتات من أي نظام كمي له حالتان.
بسبب مبدأ التراكب؛ يمكن للكيوبتات على عكس البتات التقليدية في جهاز الكمبيوتر، أن تكون في كلتا الحالتين المحتملتين في وقت واحد؛ وهذا يفتح إمكانيات جديدة ومثيرة في تكنولوجيا المعلومات.
تستخدم الحوسبة الكمية الجسيمات دون الذرية، مثل الإلكترونات أو الفوتونات، وتسمح بتات الكم أو الكيوبتات بوجود هذه الجسيمات في أكثر من حالة واحدة (أي 1 و 0) في نفس الوقت، وتستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية اليوم تيارًا من النبضات الكهربائية (1 و 0) بطريقة ثنائية لتشفير المعلومات بالبتات.
علاقة التشابك الكمي في علم المعلومات الكمومي
التشابك الكمومي هو مورد مادي، مثل الطاقة مرتبط بالارتباطات الغريبة غير الكلاسيكية الممكنة بين الأنظمة الكمومية المنفصلة، ويمكن قياس التشابك وتحويله وتنقيته؛ حيث يمكن استخدام زوج من الأنظمة الكمومية في حالة التشابك كقناة معلومات كمية لأداء مهام حسابية وتشفيرية مستحيلة للأنظمة الكلاسيكية؛ إذ أن الدراسة العامة لقدرات معالجة المعلومات للأنظمة الكمومية هي موضوع نظرية المعلومات الكمومية.
اتضح أن المعلومات الكمومية تختلف اختلافًا جذريًا عن المعلومات الكلاسيكية؛ إذ أن وحدة المعلومات الكمومية هي كيوبت، وتمثل كمية المعلومات الكمية التي يمكن تخزينها في حالة أبسط نظام كمي، على سبيل المثال حالة استقطاب الفوتون.
إن المصطلح يرجع إلى Schumacher( (1995))، الذي أثبت نظيرًا كميًا لنظرية الترميز الصامت لشانون؛ وبالتشابه مع مصطلح بت؛ يشير مصطلح كيوبت إلى الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية من حيث إنتروبيا فون نيومان وإلى نظام كمي أولي ثنائي الحالة يُعتبر أنه يمثل المخرجات المحتملة للكم الأولي.
يمكن تشفير كمية كبيرة من المعلومات الكلاسيكية بشكل تعسفي في كيوبت؛ ويمكن معالجة هذه المعلومات ونقلها ولكن بسبب خصائص القياس الكمي يمكن الوصول إلى بت واحد على الأكثر، ووفقًا لنظرية من قبل (Holevo)، فإن المعلومات التي يمكن الوصول إليها في توزيع احتمالي على مجموعة من حالات كيوبت بديلة محدودة من قبل إنتروبيا فون نيومان؛ والتي تساوي إنتروبيا شانون فقط عندما تكون الحالات متعامدة في فضاء الحالات الكمومية، وخلاف ذلك أقل من إنتروبيا شانون.
ما هي نظرية المعلومات الكمومية
نظرية المعلومات الكلاسيكية هي النظرية الرياضية لمهام معالجة المعلومات مثل تخزين المعلومات ونقلها، بينما نظرية المعلومات الكمية هي دراسة كيفية إنجاز مثل هذه المهام باستخدام أنظمة ميكانيكا الكم.
الفرق بين المعلومات الكمية والمعلومات الكلاسيكية
- قواعد المعلومات الكلاسيكية بديهية للغاية، بحيث يسهل أخذها كأمر مسلم به، حيث أن المعلومات الكلاسيكية منفصلة يكون البت دائمًا إما 0 أو 1، ولا شيء بينهما.
- البتات حتمية؛ أي إلى الحد الذي يوجد فيه عدم يقين قليلاً يوجد عدم اليقين هذا في ذهن شخص لم يتلق رسالة بعد أو في احتمال أن يؤدي خطأ ما إلى تغيير قيمة البت
- المعلومات الكلاسيكية محلية كما في مثال شكسبير، قد يشير القليل إلى ما هو قادم؛ لكن ملاحظة هذا الجزء لا يؤثر في الواقع على أي أجزاء أخرى.
- إن المعلومات الكمية ليست منفصلة؛ حيث أن البتة الكلاسيكية هي بالتأكيد 0 أو 1، لكن البتة الكمومية التي تسمى كيوبت يمكن أن تكون قليلاً من كليهما.
- تسمح هذه الميزة للكيوبت بحمل نوع مختلف من المعلومات؛ حيث تكون معلومات مستمرة حول التوازن النسبي للصفر والواحد داخل الكيوبت؛ ويمكن أن تستخدم الخوارزميات الكمومية هذه الحقيقة أحيانًا لتعمل بكفاءة أكبر من نظيراتها الكلاسيكية.
- المعلومات الكمومية ليست حتمية أيضًا، عندما يلقي شخص ما نظرة على بت تقليدي؛ يكون ببساطة 0 أو 1 ،كما كان سابقًا وكما سيكون بعد ذلك؛ وبصرف النظر عن احتمال حدوث خطأ ليس الأمر كذلك مع الكيوبتات التي تتأثر بالقياس.
- على الرغم من أن الكيوبت يمكن أن يكون في أي مزيج من 0 و 1، إلا أن قياسه كما يحتاج المرء لقراءة ناتج عملية حسابية يفرضه ليكون إما 0 أو 1؛ وبشكل عام، هناك بعض الاحتمالات أن تأتي الإجابة 0 الخروج وفرصة تكميلية سوف تظهر 1، وهذا ليس خطأ وهو ليس مثل مستلم الرسالة ببساطة لا يعرف قيمة البتة؛ حيث إنها سمة أساسية لفيزياء الكم.
والأهم من ذلك؛ تعني هذه الميزة أيضًا أن قراءة مخرجات الكمبيوتر الكمومي نوع من القياس تدمر معظم المعلومات التي يخزنها؛ وعندما كان هناك تراكب في السابق فإن القياس يجعله كل ما تبقى هو 0 أو 1.
- أخيرًا المعلومات الكمومية ليست محلية؛ في حين أن كل بت كلاسيكي مستقل عن كل بت آخر؛ فإن البتات الكيوبت لا تكون عادةً مستقلة عن الكيوبتات الأخرى.
على سبيل المثال، يمكن للمهندسين إعداد زوج من الكيوبتات في حالة بحيث إذا تم قياس كيوبت واحد على أنه 0؛ فيجب أن يكون الآخر هو 1 والعكس صحيح، ومن الناحية النظرية يمكن للمهندسين بناء أنظمة تحتوي على أكبر عدد ممكن من الكيوبتات، حيث تعتمد حالة كل كيوبت على العديد من حالات الكيوبت الأخرى وكلها جزء من نظام متشابك معقد.
هذه الملاحظة لها نتيجة غريبة؛ حيث تخزن البتات الكلاسيكية المعلومات محليًا وبشكل مستقل عن بعضها البعض؛ وعادةً ما يتم تخزين المعلومات الكمية في العلاقات بين الكيوبتات الفردية.
ماذا يمكن العمل بالمعلومات الكمومية
علم المعلومات الكمومية هو مجال متعدد التخصصات يسعى إلى فهم تحليل ومعالجة ونقل المعلومات باستخدام مبادئ ميكانيكا الكم، فهو يجمع بين دراسة علم المعلومات وتأثيرات الكم في الفيزياء:
- معلومات النقل الفوري بين الجسيمات المفصولة في الفضاء.
- تشفير الرسائل بحيث لا يمكن اعتراضها دون اكتشاف المتلصص.
- بناء أجهزة كمبيوتر قوية جديدة لحل المشكلات التي تستغرق أجهزة الكمبيوتر اليوم بشكل سريع، وتشمل الأمثلة تحليل الأعداد الكبيرة المستخدمة في تشفير البيانات، والبحث في قواعد البيانات الضخمة.
هل يمكن إنشاء المعلومات الكمية
ومع ذلك؛ في عالم الكم فإن الحفاظ على المعلومات الكمية يعني أنه لا يمكن إنشاء المعلومات أو تدميرها، وينبع هذا المفهوم من نظريتين أساسيتين لميكانيكا الكم هما نظرية عدم الاستنساخ ونظرية عدم الحذف.
إن المعلومات الكمية مهمة جدا؛ حيث يتيح بالقيام بالأشياء بطريقة مختلفة تمامًا؛ فهي تتطلب حقًا تحكمًا وثيقًا في العالم الكمي لبناء التكنولوجيا، وعلى هذا النحو من المحتمل أن يكون أساس الكثير من التقنيات المستقبلية؛ وبالتالي فهو مهم للغاية للأمن الاقتصادي والوطني.
