А. С. Холево. Введение в квантовую теорию информации.
Московский центр непрерывного математического образования (МЦНМО), Москва 2002.



ПРЕДИСЛОВИЕ

Недавно отмечалось 50-летие двух революционных научных открытий, которые
по существу предопределили облик современного мира в той важнейшей его
части, которая касается процессов хранения, обработки и передачи информации.
Это -- изобретение транзистора, открывшее путь к миниатюризации и
радикальному снижению материальных и энергетических затрат при создании
систем обработки информации, и создание математических основ теории
информации, заложивших принципы рационального и помехоустойчивого
дизайна таких систем и обрабатываемых ими массивов данных. В
качестве примеров эффективного применения идей теории информации можно
привести коды Лемпеля-Зива, используемые для сжатия файлов в UNIX и
PC, а также коды Рида-Соломона, применяемые для исправления
ошибок при воспроизведении CD.

В настоящее время происходит создание теоретических и экспериментальных основ
квантовой теории информации. Построены демонстрационные системы,
основанные на принципах квантовой криптографии. Обсуждается идея квантового
компьютера, сулящая в перспективе немыслимые ранее
возможности. Практическая реализация этого проекта предполагает
технологическую революцию, по значимости сопоставимую по крайней мере с
изобретением транзистора. (Компетентное обсуждение возможных подходов см. в
книге:
К. А. Валиев, А. А. Кокин,  Квантовые компьютеры: надежды и реальность,
М.-Ижевск: РХД, 2001.)
Независимо от того, как скоро могут быть практически реализованы подобные
проекты, квантовая теория информации является новым направлением,
дающим ключ к пониманию фундаментальных закономерностей Природы, до недавних
пор остававшихся вне поля зрения исследователей. Она также стимулирует
развитие экспериментальной физики, значительно расширяющее возможности
манипулирования состояниями микросистем и потенциально важное для новых
эффективных приложений.

Центральным результатом классической теории информации являются  теоремы
кодирования, устанавливающие возможность помехоустойчивой передачи и
обработки информации при скоростях, не превышающих некоторую вполне
определенную величину, характеризующую данную систему преобразования
информации (для определенности обычно говорят про  канал связи) и
называемую пропускной способностью. Почти одновременно с появлением
пионерских работ Шеннона и с созданием математических основ теории информации
встал вопрос о фундаментальных ограничениях на возможности передачи
сообщений, накладываемых природой физического носителя информации.  Проблема
определения пропускной способности квантового канала связи сформировалась в
60-е годы и восходит к более ранним классическим трудам Габора и Бриллюэна,
поставившим вопрос о квантово-механических пределах точности и скорости
передачи информации.  Эти работы заложили физические основы и подняли
проблему адекватного математического рассмотрения всего данного круга
вопросов.  Принципиальные шаги в этом направлении были сделаны в 70-е годы,
когда была построена некоммутативная теория статистических решений, найдено
первое доказательство квантовой энтропийной границы и обнаружена строгая
супераддитивность шенноновской информации в квантовом канале связи без
памяти.

Существенный прогресс был достигнут в последние годы, когда были доказаны
прямые теоремы кодирования, устанавливающие достижимость квантовой
энтропийной границы, и понято, что квантовый канал характеризуется целым
набором пропускных способностей, в зависимости от рода передаваемой информации
и специфики используемых ресурсов. В значительной мере этот прогресс
стимулирован современным развитием идей квантовой теории информации и
квантового компьютинга. С другой стороны, вопрос о пропускной способности квантового
канала связи представляет большой интерес в связи с
квантовыми кодами, исправляющими ошибки, исследованием эффективности и сложности
квантовых алгоритмов, и в целым рядом других вопросов.
Настоящие лекции посвящены в основном систематическому изложению строгих
результатов, относящихся к понятию  квантового
канала связи и пропускных способностей. В них также дается подробное введение
в статистическую структуру квантовой теории, составляющую базис для квантовой
теории информации, однако их не следует рассматривать как всеобъемлющий курс
по квантовой теории информации: так, здесь не затрагиваются проблемы
квантовой криптографии, а также получившая значительное развитие в последнее
время количественная теория сцепленности (entanglement) квантовых
состояний. Весьма фрагментарно рассматриваются и квантовые алгоритмы.

Эти разделы читатель, освоивший вводные главы настоящих лекций, сможет изучить самостоятельно
по другим источникам (Одним из основных источников новейшей информации
является  Лос-Аламосский электронный архив по квантовой физике (quant-ph),
представленный на сервере ИТЭФ: http://xxx.itep.ru.).
Доказательства целого ряда вспомогательных результатов
и следствий оставлены читателю в качестве полезных упражнений. С другой
стороны, в лекциях сформулировано несколько принципиальных открытых проблем,
решение которых явилось бы существенным вкладом в квантовую теорию
информации.

В основу настоящих лекций положен курс, прочитанный автором в
Математическом институте им. В.А. Стеклова РАН для слушателей
Колледжа математической физики Московского Независимого
Университета.