კვანტური ინფორმატიკა
კვანტური ინფორმატიკა, მეცნიერების დარგი, რომელიც შეისწავლის რთული კვანტური სისტემების დინამიკის ზოგად კანონზომიერებებსა და პრინციპებს. ჩამოყალიბდა კვანტური მექანიკის, ალგორითმების თეორიისა და ინფორმაციის თეორიის მიჯნაზე. კ. ი. მოიცავს კვანტური გამოთვლებისა და კვანტური ალგორითმების საკითხებს, კვანტური კომპიუტერების ფიზიკას, კვანტურ კრიპტოგრაფიასა და ინფორმაციის კვანტურ თეორიას.
კვანტური ინფორმაცია იზომება ქუბიტებში (ინგლ. quantum bit). ქუბიტებს შეუძლია იყოს მდგომარეობაში, რ-იც 0 და 1 მნიშვნელობების სუპერპოზიციაა: ნაცვლად ორი ფიქსირებული მდგომარეობისა, ქუბიტი ω ალბათობით იქნება კლასიკური 0-ის შესაბამის მდგომარეობასა (რ-იც აღინიშნება |0›) და 1–ω ალბათობით მდგომარეობაში |1›, რ-იც შეესაბამება კლასიკურ 1-ს. ამას უწოდებენ კვანტურ პარალელიზმს. შესაბამისად, ქუბიტის შესაძლო მდგომარეობათა სიმრავლე კონტინუუმია.
კვანტური კომპიუტერი არის სისტემა, რ-შიც გამოთვლები ხორციელდება კვანტური მექანიკის კანონებით. ოპერაციები ამ სისტემებში, ისევე როგორც ნებისმიერ კვანტურ სისტემაში, არის უნიტარული გარდაქმნები ამ სისტემის მდგომარეობათა სივრცეში. კვანტურ კომპიუტერში არსებობს ოპერაციათა ბაზისი; მათი კომბინირებით მიიღება გამოთვლებისთვის საჭირო ყველა გარდაქმნა. გარდაქმნების (კვანტური გამოთვლების) პროცესში წარმოქმნილი მონაცემები წარმოადგენს კვანტურ ინფორმაციას, რ-იც გამოთვლის პროცესის დასრულებისას გარდაიქმნება კლასიკურ ინფორმაციად კვანტური რ ე გ ი ს ტ რ ი ს (კვანტური კომპიუტერის მეხსიერების) საბოლოო მდგომარეობის გაზომვით. გამოთვლის შედეგი, ისევე, როგორც ნებისმიერი გაზომვა კვანტურ სისტემაში, მხოლოდ გარკვეული ალბათობითაა ჭეშმარიტი (და არა ზუსტი, როგორც კლასიკურ შემთხვევაში), მაგრამ გამოთვლების რამდენჯერმე განმეორება ამ ალბათობას ზრდის და საიმედო შედეგს გვაძლევს (ნებისმიერი სიზუსტით).
უმნიშვნელოვანესი მოვლენა, რ-საც კ. ი. შეისწავლის, არის კვანტურ მდგომარეობათა გ ა დ ა ხ ლ ა რ თ ვ ა (ინგლ. entangled). გადახლართვა დამახასიათებელია სისტემებისთვის, რ-ებშიც ინფორმაცია სისტემის ერთი ნაწილის მდგომარეობის შესახებ მ ა შ ი ნ ვ ე ცალსახად (ან ნაწილობრივ) გვაძლევს ინფორმაციას დანარჩენი ნაწილების მდგომარეობაზე, ანუ გადახლართვის შედეგად შედგენილი სისტემებისთვის დამახასიათებელია ა რ ა ლ ო კ ა ლ უ რ ო ბ ა . კვანტურ სისტემებში ინფორმაცია ყოველთვის არასრულია (კლასიკური აზრით). ამიტომ კორელირებული (მაგ., მუდმივობის კანონების შედეგად ან პაულის პრინციპის შესაბამისად) ნაწილებისგან შედგენილი სისტემების მდგომარეობები გადახლართული უნდა იყოს.
1981–85 რ. ფეინმანმა (აშშ) და დ. დოიჩმა (ინგლ.) აჩვენეს, რომ გადახლართულ მდგომარეობათა არსებობა და კვანტური პარალელიზმი შეიძლება გამოვიყენოთ კომპიუტერული გამოთვლების სიჩქარის რადიკალური გაუმჯობესებისთვის. კვანტური კომპიუტერი ბევრად მძლავრი (სწრაფი და ეფექტური) იქნება კლასიკურ გამომთვლელ მოწყობილობასთან შედარებით. კვანტური გამოთვლები პრინციპულ უპირატესობას იძლევა მაგ., ნატურალური რიცხვის მარტივ თანამამრავლე ბ ა დ დ ა შ ლ ი ს პოვნისას. 1994 პ. შორმა (აშშ) შეადგინა ალგორითმი კვანტური კომპიუტერისთვის, რ-იც ამ ამოცანას სწრაფად (პოლინომურ დროში) ხსნის. ანალოგიური სწრაფი კვანტური ალგორითმი მონაცემთა ბაზა შ ი ჩანაწერის პოვნის ამო ც ა ნ ი ს თ ვ ი ს 1996 შეადგინა ლ. გროუვდერმა (აშშ).
XXI ს. დასაწყისში კვანტური კრიპტოგრაფიული სისტემების განვითარებამ მიაღწია კომერციულ დონეს და აქტიურად გამოიყენება საიდუმლო ინფორმაციის საიმედო დაცვისათვის. მნიშვნელოვანია, რომ პრინციპულად შეუძლებელი ხდება კვანტურ მონაცემებში ფარულად შეღწევა. გადახლართულ მდგომარეობათა ტექნოლოგია გულისხმობს ათეულამდე ნაწილაკის (ან კვაზინაწილაკის – ფოტონების, ელექტრონების ან ე. წ. კუპერის წ ყ ვ ი ლ ე ბ ი ს მდგომარეობები, ელექტრონებისა და ბირთვების სპინები) გადახლართულ მდგომარეობათა საიმედო მომზადების, შედარება-შემოწმების და თვისებათა შესწავლის შესაძლებლობას. ეს რეალიზებულია ზოგიერთ მოქმედ ხელსაწყოში – კვანტური კომპიუტერის მოქმედ პროტოტიპებში [მცირექუბიტიან (10-მდე ქუბიტი) კვანტურ პროცესორებში]. მრავალნაწილაკოვანი სისტემების კომპიუტერული მოდელირება გულისხმობს ქიმიური პროცესების და რთული სისტემების კვანტური ყოფაქცევის (ჰიპოთეტურ) სიმულაციებს. ჯერჯერობით მოდელირება ხდება კვანტური კომპიუტერის მხოლოდ კლასიკური სიმულატორების გამოყენებით.
კვანტური კომპიუტერის აგების ძირითადი ტექნიკური დაბრკოლებაა დეკოჰერენტიზაციის მოვლენა – კვანტური სუპერპოზიციების დაშლა, რ-იც მიკროსისტემების მაკროსისტემებზე გავლენის შედეგად ხდება. თუ დეკოჰერენტიზაციის სიჩქარე არ აღემატება გარკვეულ ზღვრულ მნიშვნელობას, მაშინ შეცდომების გასწორებისათვის კვანტური კ ო დ ე ბ ი ს გამოყენება იძლევა იმის საშუალებას (თეორიულად), რომ კვანტური სისტემა გახდეს სტაბილური. ამისთვის კვანტური რეგისტრის ზომები უნდა გაიზარდოს რამდენიმე რიგით.
ს ა ქ ა რ თ ვ ე ლ ო შ ი კ. ი-ის მიმართულებით მუშაობა მიმდინარეობს სტუ-ის კიბერნეტიკის ინსტიტუტსა (გ. გიორგაძე, ზ. მელიქიშვილი და სხვ. იკვლევენ როგორც კ. ი-ის ფუნდამენტურ პრობლემებს, ასევე მუშაობენ კვანტური კომპიუტერის ფიზიკური რეალიზაციის შესაძლებლობაზე) და ნ. მუსხელიშვილის სახ. გამოთვლითი მათემატიკის ინ-ტში (ვ. კვარაცხელია და სხვ.), თსუ-ის ი. ვეკუას სახ. გამოყენებითი მათემატიკის ინ-ტში ეფექტური ალგორითმების შედგენაზე მუშაობს თ. ვაშაყმაძე, ზუსტი და საბუნებისმეტყველო მეცნ. ფაკ-ტზე – ა. კვინიხიძე და სხვ. ინტენსიურად მიმდინარეობს ერთობლივი კვლევები საზღვარგარეთის წამყვან ცენტრებთან.
ლიტ.: გ ი ო რ გ ა ძ ე გ., მ ე ლ ი ქ ი შ ვ ი ლ ი ზ., კვანტური გამოთვლები, თბ., 2009; Я к о в л е в В. П., Квантовая информатика, М., 2008.
გ. გიორგაძე
