CC BY
14
2009.03.016
46 -
ФИЛОСОФИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
2009.03.016. ДЮВЕЛЛ А. КВАНТОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ СУЩЕСТВУЕТ.
DUVELL A. Quantum information does exist // Studies in history and philosophy of modern physics. - L.: Pergamon, 2008. - N 39. - P. 195216.
В статье обосновывается идея квантовой информации, которая впервые формулируется в работах Шумахера. Эта идея далее разрабатывается на основе ее аналогии с теорией Шеннона, в частности, обобщается подход Тимпсона для интерпретации теории информации последнего. Точность воспроизведения состояния запутанности рассматривается как адекватный критерий успешного подхода к пониманию квантовой информации. Обсуждается связь между теорией Шеннона и теорией квантовой информации.
Многие философы и физики очаровались идеей, что концептуальные проблемы, связанные с квантовой механикой, могут быть разрешены при обращении к квантовой информации. Однако общие положения, касающиеся природы квантовой информации, до сих пор не были выработаны. Неясными остаются и вопросы локализации информационного потока, а также его статуса как субстанции.
Шумахеровская концепция информации распадается на две концепции: квантовая количество-информация и квантовая тип-информация. Квантовая количество-информация понимается как совокупность необходимых ресурсов для воспроизведения квантовой информации, что количественно выражается энтропией фон Неймана. Квантовая тип-информация - это сама информация, которую требуется воспроизвести для успешной коммуникации, что количественно выражается точностью воспроизведения состояния запутанности (с. 196).
Квантовая информация не является субстанцией в общепринятом смысле.
Концепция Шеннона - это теория систем связи, которая определяет ресурсы, необходимые и достаточные для коммуникации. Каждый компонент описывается распределением вероятности, точнее, распределением условной вероятности. Информация передается посредством доминирующих корреляций между компонентами системы связи. Коммуникация успешна, когда получатель воспроизводит информационное сообщение источника. Шеннон доказал, что можно использовать статистические свойства системы связи для минимизации ресурсов, необходимых для распознавания сообщений, производимых источником информации, и тем самым максимизировать скорость передачи информации. Через энтропию, по Шеннону, определяется, насколько последовательности сообщений могут быть сжаты по сравнению с простой нумерацией всех возможных последовательностей.
Передача информации не то же самое, что воспроизведение информации. Для примера, посылка DVD из одного места в другое означает передачу информации, содержащейся на DVD, из одного места в другое, но информация на DVD считается сообщённой только тогда, когда DVD воспроизводится (с. 198).
В данном случае удобно прибегнуть к известному философскому различению между типами и знаками. Это - различение между разновидностями вещей и их конкретными образцами. Тимп-сон характеризует источники информации как устройства, производящие знаки определенных типов. Цель связи: воссоздать (в месте назначения) знаки того типа, что произвел информационный источник. Для примера, если информационный источник производит определенную последовательность букв, в месте назначения должна быть создана та же последовательность букв.
Не следует путать цель связи с критерием успеха связи. Одного воспроизведения знаков в точке назначения недостаточно, поскольку в общем случае любой знак есть множество различных типов знаков одновременно. Критерий успеха выявляет, какие типы представляют интерес, а также какие знаки данных типов допустимы для целей коммуникации.
Существуют три ситуации, которые заслуживают различения: нормальный критерий успеха абстрактной теории Шеннона, критерий успеха, который отражает коммуникационные конвенции, и критерий успеха, базирующийся единственно на физических
характеристиках сообщения, произведенного информационным источником.
Первый критерий связан с тем, что теория Шеннона ничего не говорит по поводу степени адекватности «приемлемого успеха». Может случиться, что полученное сообщение идеально коррелирует с сообщением, произведённым информационным источником, но оно может оказаться ошибочным, согласно оценке успеха. Так будет в случае, например, если все буквы в сообщении сдвинуты на одну вперед. Сообщение передано, но сама коммуникация оказалась несостоятельной.
Для описания реальных систем связи нужно задать закон соответствия между абстрактной теорией Шеннона и действительной системой связи. Тогда элементарные знаки источника Шеннона будут соответствовать некоторым физическим свойствам реального источника. Однако возможна ситуация, в которой физические особенности сообщения не обязательно должны быть воспроизведены получателем, и для критерия успеха связи приемлема лишь чётко заданная, удобная конвенция, а не физическое соответствие. Таким примером является посылка сообщения по электронной почте слепому человеку, который взаимодействует с компьютером посредством так называемого «очищаемого экрана» Брайля.
Тимпсон предложил два ответа на вопрос «Что есть информация Шеннона?» Первый: информация Шеннона - это то, что количественно выражается через энтропию Шеннона, т.е. то, что известно под названием шенноновская количество-информация. Второй: это то, что производится информационным источником и требует воспроизведения в точке назначения, что известно под названием шенноновская тип-информация. Понимание информации как типа достаточно важно, если критерий успеха связи базируется не на конвенции, а вызван физическими особенностями знаков, производимых источником информации и получателя.
Тимпсон и Дювелл оспорили утверждение, что информация не является субстанцией. Были выделены две основные концепции субстанции - как вещи и как материи, - восходящие к метафизике Аристотеля. Материя безразлична к форме, т.е. материя может принимать различные формы или фазы, как вода в стакане и на полу, или облако газа. Можно разрушить субстанцию (вещь) без разрушения материи, из которой она создана, но не наоборот. И коли-
чество-информация, и тип-информация не являются обычными физическими субстанциями, т.е. «...информация не переносится в коммуникационной системе, как вода по трубам (используя выражение Тимпсона)» (с. 205).
Квантовая система связи состоит из квантового источника сигнала, компрессора квантового сигнала, декомпрессора и получателя. Квантовый источник сигнала производит последовательность квантовых систем сигналов. Теорема кодирования Шумахера описывает минимальные ресурсы, необходимые и достаточные для передачи квантовой информации. При этом учитываются статистические и квантовомеханические свойства источника для минимизации ресурсов, необходимых для коммуникации. Успешным протоколом передачи квантовой информации считается тот, где длина последовательности сигналов источника стремится к бесконечности, а точность воспроизведения состояния запутанности для процесса стремится к 1.
Квантовая информация определяется количественно, по фон Нейману, энтропией источника, а также степенью ее воспроизведения в точке назначения, согласно критерию успеха. Важная особенность квантовой теории информации состоит в том, что она сама определяет, каким образом при использовании процедур сжатия и декодирования знаки типов производимых источником могут быть воспроизведены в точке назначения. При этом ответ на вопрос, каковы физические процессы, вовлеченные в коммуникационный протокол, позволяющие передавать квантовую информацию, зависит от версии квантовой теории, которая используется.
Многие физики и философы выражают надежду, что квантовая теория информации поможет понять квантовый мир. Анализ концепции Шумахера показывает принципиальную возможность такого понимания. В дальнейшем станет ясно, сможет ли квантовая теория информации предложить новые интересные объяснения квантовых явлений или дать набор эвристических физических принципов, в которых можно описать квантовые явления.
И.П. Сапков,
В.А. Яковлев
