اطلاعات کوانتومی

از دانشنامه آزاد علم اطلاعات و دانش شناسی
پرش به: ناوبری، جستجو

اطلاعات کوانتومی

خاطره اسماعیلی رنجبر و محمد باقر نگهبان

نظریه های متفاوتی همچون نظریه اطلاعات یا ارتباطات شانون ، نظریه معناشناختی اطلاعات، نظریه سایبرنتیکی ، نظریه کوانتومی اطلاعات و نظریه اطلاعات کوانتومی در زمینه اطلاعات مطرح هستند و هر یک، از دیدگاهی به بررسی اطلاعات می پردازند. هدف از این مقاله آن است که دیدگاهی را که اصطلاحا نظریه کوانتوم اطلاعات نامیده می شود با استفاده از مبانی و مفاهیم فیزیک کوانتومی، ماهیت اطلاعات و نقش آن در جریان های اطلاعاتی مورد بررسی قرار دهد. از جمله مفاهیم بنیادین در فیزیک کوانتومی می توان دوگانگی موجی/ ذره ای ، عدم قطعیت هایزنبرگ ، اندازه گیری، کل انگاری، اثر تونل، اصل مکملیت بور، گربه شرودینگر و امثال آن را نام برد. هر یک از این مفاهیم به ترتیب توضیح داده شده و بعد از آن به تطبیق این مفاهیم با دنیای اطلاعات پرداخته شده است مقدمه اگر چه دانش و ارتباطات ، پدیده ای اساسی در جامعه بشری هستند ولی گسترش فناوری های اطلاعاتی و تاثیر جهانی آن است که یک جامعه اطلاعاتی را تعریف می کنند.برای رشته هایی مانند علم اطلاعات ، یکی از اصول اساسی چگونگی تعریف مفاهیم و عبارت های پایه همچون اطلاعات است. نظریه اطلاعات یا ارتباطات شانون، نظریه درسک، نظریه معناشناختی اطلاعات، نظریه سایبرنتیکی اطلاعات، نظریه کوانتومی اطلاعات و نظریه اطلاعات کوانتومی از جمله نظریه هایی هستند که در این حوزه مطرح اند. به اعتقاد کاپورو و یورلند مهم ترین تفاوت بین اطلاعات به عنوان یک چیز یا مفعول(مانند تعداد بیت ها) و اطلاعات به عنوان یک مفهوم فاعلی ، آن است که عوامل شناخته شده، چگونه تفسیر می شوند.خواهیم دید که اطلاعات چگونه گاهی دارای نقش فاعلی و گاهی دارای نقش مفعولی می گردد. نظریه اطلاعات کوانتومی یا نظریه کوانتومی اطلاعات نظریه اطلاعات کوانتومی به اطلاعات از دیدگاه دیگری می نگرد.نظریه اطلاعات کوانتومی یک زمینه تحقیقاتی جدید بین رشته ای است که با مکانیک کوانتومی، علوم رایانه و ریاضی کاربردی در ارتباط است. این نظریه پارادایم جدیدی را با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات به وجود آورده است.رایانه های کوانتومی ، بسیاری از کارهایی که رایانه های کلاسیک قادر به انجام آننبودند انجام می دهند. به علاوه ، اطلاعات کوانتومی در این سیستمها به شرطی که به خوبی رمزگذاری شوند، از خطا و خطر در امان می مانندد. اطلاعات کوانتومی توسط ذرات ریز از فرستنده به گیرنده انتقال می یابد و در حقیقت تفاوت بین انتقال دهنده ها و کانال ها در اطلاعات کو.انتومی و کلاسیک ، اهمیت دارد. این نظریه اطلاعات کوانتومی نوع جدیدی از اطلاعات محسوب می شود.شایان ذکر است که تاثیر اطلاعات بر فیزیک قبل از تاثیر فیزیک بر اطلاعات بوده است. این مقاله به بررسی ماهیت و فرایند اطلاعات با استفاده از اصول فیزیک کوانتومی(نظریه کوانتومی اطلاعات) اختصاص یافته و پژوهشگران تلاش کرده اند در بیان اصول فیزیکی، شیوه اعتدال را در پیش گیرند. قوانین مهم فیزیک کوانتومی دوگانگی موجی / ذره ای دوگانگی موج/ ذره از جمله مفاهیم اساسی نظریه کوانتوم، و به این معنا است که هر گاه ذرات مشاهده شوند، در حالت ذره هستند و هرگاه مشاهده نشوند در حالت موجی قرار دارند. تفسیر اصل دوگانگی موج/ ذره در محیط اطلاعاتی به این شرح است. که اطلاعات نیز مانند موج/ ذره پدیده ایدو نقشی دارند که هم دارای نقش موج(اطلاعات بالقوه) و هم نقش ذره ای (اطلاعات بالفعل) است. پیرامون ما انباشته از اطلاعات بالقوه است، ولی ما به تناسب مواجهه آگاهانه با آن، به بخشی از آن فعلیت می بخشیم و اطلاعات بالقوه متناسب با هدف و اراده ما، تبدیل به اطلاعات فعال می شود. در واقع زمانی که ما اقدام به شناخت اطلاعات بالقوه کنیم و آنها را مورد مشاهده، اندازه گیری و سنجش قرار دهیم، آنها را به اطلاعات بالفعل و قابل شناخت تبدیل نموده ایم – هر چند که ممکن است در این فرایند دچار اشتباه شویم، سنجش را به درستی انجان ندهیم و در نهایت اطلاعات بالفعل نادرستی را ایجاد نماییم. حتی ممکن است که افراد مختلف از اطلاعات بالقوه واحد، اطلاعات بالفعل متفاوتی را با توجه به دیده گاهشان ایجاد کنند، اما به حال ما بر مبنای پاره ای اطلاعات بالقوه این کار را انجام داده ایم. دوگانگی موج و ذره یک مفهوم است که در آن هر ذره ی اولیه یا وجود کوانتیک ویژگی های نه فقط اجزاء بلکه امواج را به نمایش می گذارد.این ناتوانی مفهوم کلاسیک ذره یا جزء را برای توضیح کامل رفتار در مقیاس کوانتومی را می رساند. اینشتین نوشته که: به نظر میرسد که ما باید بعضی مواقع از یک تئوری و بعضی مواقع از تئوری های دیگر استفاده کنیم در حالیکه در آن واحد ما می توانیم از هر دو استفاده کنیم ما با سختیهایی روبرو هستیم ما در تصویر متناقض از واقعیت روبرو هستیم که به صورت جداگانه هیچ کدام از آنها نمی توانند پدیده نور را توضیح دهند. اما با همدیگر قادر به انجام توضیح پدیده نور هستند. آپشن های مختلفی از این منشا می گیرد قبل از کشف مکانیک کوانتوم به وسیله Louis de Broglie آغاز شده و بعدا توسط تئوری Broglie – Bohm کامل شود. در توضیح موج به موضوع دوگانگی به عنوان یک تناقض توجه نشده به نظر می رسد موج و ذره اغلب هر دو باهم وجود دارند مطابق با نظریه شرودینگر دومین امواج Broglie یک پدیده فیزیک زمان – فضا ی معمولی است. این آینده مرسوم یک حساب مجزاد در زمان – مکان فیزیکی معمول می سازد . بدینوسیله این پدیده بکار گرفته می شود تا این تئوری ویژه را به صورت لامکانی به نمایش گذارد که به وسیله بسیاری از فیزیکدانان مورد بررسی قرار گرفته تا در مورد نواقص این تئوری کندوکاو کنند. در روزهای قدیم تئوری کوانتوم ورژن پیش کوانتوم مکانیکی دیگری از دوگانگی موج – ذره بوسیله ارائه شد و بوسیلهWilliam Duane دیگران Alfred Laude تکامل یافت Duane توضیح داد که چگونه کریستال اشعه ایکس را به تنهایی انکسار می دهد شکست خط سیر هر فوتون شکسته شده است انتقال انرژی جنبشی فرضی در ساختار معمول کریسال می شود . آنالیز آشکار کرد که دوگانگی موج و ذره به عنوان یک معادله ریاضی ساده اغلب بیان می شود و برای همه کوانتوم جهانی است. دلایل مشابهی بکار گرفته شده مثل انکسار الکترون با یک کریستال. تئوری نورBrogle اروین اشترودینگر مکانیک موجش را با اشاره به من که مفهوم موج جهانی یک پدیده مکان – زمان فیزیک معمولی نیست تکامل داد. دومین عملکرد موج اشترودینگر یک فضای پیکربندی شده است.پدیده زمان – مکان فیزیک معمولی اجازه تصور مستقیم بیشتر یا کمتر دلایل و اثرات مرتبط را می دهد که می توان گفت قابل جداشدن هستند. در این جنبه پیکربندی فضا قابل جداشدن نیست و بطور مستقیم علت و تاثیر پیوستگی را نشان نمی دهد. بعضی مواقع به نظر می رسد اشترودینگر امواج خودش را به عنوان امواج برگشتی به پدیده زمان – فضای معمولی تصور کرد و هنموز در این مورد شک های بسیاری وجود دارد.Niels Boher به تناقض های دوگانگی به عنوان یک حقیقت متافیزیکی یا بنیادی طبیعت اشاره کرد. یا یک تنوع مشابه از وجود کوانتیک و اما در شرایط متفاوت فیزیک بعضی مواقع جنبه موج و بعضی مواقع جنبه ذره واضح و آشکار بود. او این موضوع را به عنوان یک جنبه از مفهوم تکامل مشاهده کرد. BOHr از رابطه علت و معلول یا تکامل تصویر فضا – زمان به عنوان یک اصل ضروری کوانتوم مکانیکی صرف نظر کرد. ورنر هیزنبرگ سوالات بیشتری داشت او دوگانگی را به عنوان شرایط حاضر برای همه وجود کوانتیک در نظر داشت. اما نه بطور کامل در کوانتوم مکانیکی بررسی شده توسط بوهر او این را Quantization ثانویه نامید. که یک مفهوم جدید کلی از زمینه هایی که در پدیده فضا – زمان وجود دارد را ایجاد می کند. میدان های کلاسیک ( مثل قدرت میدان مغناطیسی و الکتریکی ماکس ول) یک نوع جدید کلی از میدانجایگزین شده که به عنوان تئوری میدان کوانتوم مورد توجه قرار می گیرد. به خاط تفاوت دید بوهر و هیزنبرگ منبع اصلی تفسیر کوپنهاگن نامیده می شود. موقعیت این تفسیر روی دوگانگی موج و ذره هنوز نامشخص است. مسئله اندازه گیری هنگامی که برای داده ها ار ابزارهای مشاهده، مصاحبه، پرسشنامه، و ... استفاده می کنیم در واقع قصد اندازه گیری متغیری را در نمونه مورد نظر داریم. اما همین که فرایند اندازه گیری آغاز می گردد و آزمودنی ها مورد آزمون واقع می شوند، احتمال این که داده های حقیقی گردآوری نشود بسیار است. به عنوان مثال، در مصاحبه امکان دارد که آزمودنی ها از گفتن واقعیت ها به دلایل مختلف صرفنظر کنند. ابزار پرسشنامه نیز محدودیت هایی را در پاسخگویی ایجاب می کند. به علاوه، شرایط و وضعیت روحی پاسخگویان و اهمیت موضوع مورد بررسی برای آنان نیز یک از دیگر عوامل اثرگذار بر صحت داده ها می باشد.مشاهده نیز، دارای مشکلات خاص خود است.بنابراین ابزارهای اندازه گیری و جمع آوری اطلاعات نیز مانند ابزارهای اندازه گیری در دنیای کوانتومی، بر مقوله مورد بررسی اثر می گذارند و نمی توانند به سنجش دقیق آنها بپردازند. نظریه گربه شرودینگر تطبیق گربه شرودینگر با محیط های اطلاعاتی را می توان در کار اشاعه دهنگان و ارائه دهنگان اطلاعات مشاهده کرد . این گروه از افراد سعی می کنند مرتبط ترین و مفیدترین اطلاعات را برای فرد متقاضی – با توجه به نیاز اطلاعاتی و ویزگی های او – فراهم نمایند. ولی تا وقتی که از خود فرد، پس از استفاده از اطلاعات بازیابی شده، درباره کیفیت منابع ارائه شده سوال نشود، با قطعیت نمی توان درباره مفید بودن اطلاعات اظهار نظر کرد. تا قبل از پرسش، اطلاعات می تواند مفید،غیرمفید، یا دارای هر دو حالت باشد. تنها پس از پرسش از کاربر است که وضعیت معلوم، و مشخص می گردد که گربه مرده است یا زنده. کل انگاری اطلاعاتی که افراد از محیط پیرامون خود دریافت می کنند، تنها منبع شناخت و آگاهی آنها نیست، بلکه انسان ها همواره اطلاعات رسیده را همراه با پاره ای از تفاسیر و تجزیه و تحلیل ها به ذهن خود می سپارند که این آگاهی نیز دائما با رسیدن اطلاعات جدید در معرض تغییر و تکامل قرار می گیرد. بنابراین با شناخت اطلاعات ورودی به ذهن، نمی توان میزان آگاهی ذهنی افراد را مشخص نمود. جهان را اطلاعات بالقوه احاطه کرده است و انسان ها با شناخت آنها، اطلاعات بالقوه را به اطلاعات بالفعل تبدیل می نمایند، ولی در موارد دیگر همین اطلاعات بالقوه و بالفعل در کنار فعالیت ها و نیروهای ذهنی و استعدادهای ویپه منجر به ایجاد پدیده ای کاملا جدید میشوند.به علت همین توانایی های انسان است که کل اطلاعات جهان چیزی ورای اطلاعات بالقوه و بالفعل است و مادامی که این توانایی ها وجود داشته باشند، حجم اطلاعات جهان متغیر خواهد ماند. جمع بندی نهایی در این نوشته یکی از اصول ، اصل دوگانگی موج/ ذره که با استفاده از آن می توان دو برداشت را برای ذزات اطلاعاتی ارائه نمود. یک آن که می توان شناخت هایی را که در ذهن افراد دائما شکل می گیرند و با افزایش تجربه و آگاهی دگرگون و کامل تر می شوند را به حالت های ذره ای و موجی در فیزیک کوانتوم تشبیه کرد و دیگر آنکه می توان برای اطلاعات نیز دو نقش موجی(اطلاعات بالقوه) و نقش ذرهای (اطلاعات بالفعل) در نظر گرفت. در واقع آنچه در اطراف ما قرار دارد اطلاعات بالقوه بوده و زمانی که اقدام به شناخت آنها می کنیم ، اطلاعات بالقوه را به بالفعل تبدیل نموده ایم. در مورد اندازه گیری در فیزیک کوانتومی مباحث زیادی مطرح است که از جمله مشهورترین آنها اصل مکملیت بور و گربه شرودینگر هستند. تطبیق اصل مکملیت در مبحث اطلاعات، در زمینه ابزارهای پژوهش همچون مصاحبه ، مشاهده و پرسشنامه و زمانی که متغیرهای خاصی را تحت کنترل درآورده تا متغیر دیگری را تحت بررسی درآوریم، قابل مشاهده است. همچنین زمانی که ارائه دهندگان و اشاعه دهدگان اطلاعات به دنبال ارائه مرتبط ترین اطلاعات برای کاربران خود هستند و معیاری جز نظر خود کاربر برای تعیین میزان مفید بودن اطلاعات ندارند، شرایطی همچون گربه درون جعبه شرودینگر برای ارائه دهندگان اطلاعات رخ می دهد و مشخص نیست که اطلاعات یافته شده توسط آنان، مفید، غیرمفید، یا – در شرایطی – بینابین این دو باشد. همجنین با استفاده از اصل کل انگاری – به معنای آن که جمع کل چیزی ، بیش از مجوع اجزا است و با شناخت اجزا نمی توان به شناخت کل نائل آمد – تفاسیری در رابطه با اطلاعات کل جهان و اطلاعات اندوخته در ذهن افراد ارائه شد و مشخص گردید که اطلاعاتی که افراد از محیط پیرامون خود دریافت می کنند، تنها منبع شناخت و آگاهی آنها نیست، بلکه انسانها همواره اطلاعات رسیده را به همراه پاره ای از تفاسیر و تجزیه و تحلیل ها به ذهن خود می سپارند. به علاوه اطلاعات کل جهان نیز چیزی بیش از اطلاعات بالقوه به علاوه اطلاعات بالفعل نادرست است و این ارزش افزوده، حاصل تراوش های ذهنی انسان ها در برخورد با اطلاعات بالقوه و بالفعل است. تمامی اینها تفاسیری از اطلاعات با استفاده از اصول اساسی فیزیک کوانتومی بوده و با استفاده از آن ها تلاش شد تا ویژگی های اطلاعات در شرایط و موقعیت ها مختلف مورد بررسی قرار گیرد. گفتنی است هر چه تلاش ما برای شناخت کامل تر ذرات اطلاعات و نحوه برخورد و تعامل آنها با محیط پیرامون خود بیشتر باشد، به نحو مطلوب تری خواهیم توانست به امر ذخیره و بازیابی اطلاعات و تحلیل فرایندهای اطلاعاتی بپردازیم که یکی از این راهکارها، استفاده از اصول فیزیک کوانتومی است. البته آنچه که باید مورد توجه قرار دهیم آن است که همیشه از خود بپرسیم که به چیزیهای در رابطه با مفهوم اطلاعات نیازمندیم تا بتوانیم به صورت هدفمند به پیشرفت علم اطلاعات کمک کنیم.

      فراتر از اطلاعات کوانتوم

مکانیک کوانتوم اطلاعات و ویژگی های بنیادی آنها را دوباره یادآوری می کند.محققان در انسیتویPrimeter تحقیق می کنند تا اطلاعاتی در مورد اطلاعات کوانتوم را متوجه شوند و مطالعه می کنند تا پردازش اطلاعات امکان پذیر شود اطلاعاتی که ممکن است غیرممکن باشند.این ها شامل تحقیق در کریپتوگرافی (رمزشناسی) کوانتوم است، که این مطالعات بین استخراج اطلاعات و نشر اطلاعات و کاربرد اطلاعات رفت و آمد می کند. این تحقیقات همچنین شامل تحقیق در اصلاح خطای کوانتوم است که مطالعه روش هایی برای حفظ اطلاعات در مقابل گسستگی اطلاعات را در برمی گیرد. اطلاعات کوانتوم: درمقایسه باهر جیزی که ما تجربه می کنیم کلمه کوانتوم خیلی کوچک است و شامل اتم ها و عناصر اولیه است که به طور باورنکردنی عجیب و غریب است. به عنوان مثال برای یک جز تنها این امکان پذیر است که به جاهایی بیشتر از یک مکان در زمان مشابه حرکت کند. تصور ما از اینکه در جهان کوانتوم چه چیزی جدا می شود و چه چیزی جدا نمی شود این است که با اجزا می توانند کیلومترها دور شوند و هنوز مانند یک وجود منفرد عمل کنند. با وجود صدها آزمایش و کارهای تکنولوژیکی موفق زیاد سوالات کمی در مورد نحوه عملکرد جهان کوانتوم وجود دارد: به عنوان مثال ترانسیزیستورها (اساس بیشتر تکنولوژی محاسباتی در حال حاضر ما) ، لیزر (اساس شبکه ارتباطی Fiber optic و بسیاری تکنولوژیهای دیگر)، MRI (بر اساس ارتعاش مغناطیسی) که وسیله ای اساسی برای پزشکی جدید است، SQUID ها (Super conducting quantum interference dervices) که استفاده می شود تا در مورد ته نشینی روغن یا فعالیت اسکن مغناطیسی در مغز و جاهای دیگر . اخیرا فیزیکدانان بر روی اپلیکیشن های دیگر کوانتوم کار می کنند. هدف آنها کنترل ناشناخته بدون کوانتوم است تا تکنولوژیهای جدید را گسترش دهند که ما را از دوره اطلاعات به عصر اطلاعات کوانتوم خواهد برد. این قبلا در رمزشناسی کوانتوم بدست آمده که روشی بسیار امن در ارسال اطلاعات سری است. امید این است که این روش همچنین باعث فهم انواع جدید کامپیوتر و کوانتوم کامپیوتر شوند که این کامپیوترها قادر به حل مسائل ویژه خیلی سریع تر از کامپیوترهای استاندارد است. رمزنویسی کوانتوم: جهان مدرن اطراف ما به مقدار زیادی به تکنیک های رمزنویسی – علوم، تکنولوژی های تولید، انتقال دادن اطلاعات و رمزگشایی پیام ها وابسته است. در رمزنویسی (کریپتوگرافی) معمولی فرستنده پیام های سری (Alice) از یک کلید برای رمزگذاری استفاده می کند یا از Scramble پیام ها استفاده می کند و گیرنده پیام (Bob) از کلید مشابه برای رمزگشایی استفاده می کند. امنیت کامل وابسته به دانش Alice و Bob از کلیدها و استفاده یکباره از یک کلید است. با رمزگذاری کوانتوم می توان کلید های شماره ای تصادفی را به Alice و Bob توزیع کرد، در چنین روشی هرگونه استراق سمعی روی QKD (Quantum Key distribution) به صورت ضمانت شده قابل شناسایی است. این ضمانت نتیجه طبیعت سریع کوانتوم در جهان اطراف ماست و کاملا غیر قابل نفوذ است. تکنیک QKD وابسته به دو ویژگی مهم جهان کوانتوم است: 1- سیستم کوانتوم شبیه فوتون هاست(فوتون: ذرات نور) که خیلی حساس است و بنابراین به آسانی با هر ابزاری قابل توزیع است و استراق سمع الزاما ابزارها را درگیر می کند. 2- کوانتوم به راحتی قابل پیچیده شدن است.( قسمت اساس کوانتوم را ببینید). یک جفت سیستم کوانتوم مانند دو فوتون عمل می کند و اگر آنها کیلومترها از هم جدا شود مانند یک سیتم واحد عمل می کنند: یعنی انجام هر فرآیندی بر روی یک سیستم بر روی دیگری هم تاثیر می گذارد. چنین زوج هایی از فوتون می توانند به Alice و Bob فرستاده شوند و با دنبال کردن یک دستورالعمل ویژه برای اندازه گیری فوتون هایشان آنها حتی می توانند اعداد تصادفی رمزی را تولید کنند که از این اعداد می توانند برای فرستادن پیامشان به کانال های اجتماعی با امنیت کامل استفاده کنند. کامپیوترهای کوانتوم: همه اطلاعات با کامپیوتر پردازش می شوند. چیزهایی که ما در حال حاضر استفاده می کنیم در اصطلاحی به عنوان واحد بیت پردازش می شوند که می توانند در یکی از موقعیت ممکن باشند که این موقعیت ها با صفر و یک نشان داده می شود. همه اطلاعات روی کامپیوتر شما به شکل کدهایی ذخیره مس شوند در زنجیره های طویلی از اعداد صفر و یک برای مثال یک توالی سه رقمی در 8 شکل مختلف می تواند بیان شود. 0=000 2=001 2=010 3=011 4=100 5=101 6=110 7=111 در کامپیوترهای کوانتوم موقعیت ها پیچیده تراند. برای فهمیدن علت آن ما باید اول بدانیم هر ماشین محاسبه کننده که اطلاعات را ذخیره می کند مطلق نیست، اما در بعضی از فرم های فیزیکی بهم پیوسته مثل: مکان مهره ها در یک چرتکه، الکتریسته در بین ترانزیستورها در یک کامپیوتر معمولی یا حرکت ایمپالس های الکتریکی در بین نورون ها در مغز. دری ک کامپیوتر سنتی موقعیت صفر می تواند با یک ترانزیستور off (جریان وجود ندارد) و 1 با on (جریان وجود دارد) مشخص شود. اطلاعات بنابراین فیزیکی هستند و پردازش اطلاعات موضوع قوانین فیزیک هستند. شکل = اطلاعات به شکل دوتایی صفر یا یک می تواند ذخیره شود در موقعیت فیزیکی یک الکترون (اسپین رو به پایین یا اسپین رو به بالا) کامپیوترهای معمولی به قوانین فیزیک کوانتوم وابسته اند، ترانزیستورها وسایل کوانتومی هستند اما ترانزیستورها به طور سنتی بسیار بزرگترند تا قادر به تداخلی در پتانسیل رمزی بودن کوانتوم باشند که این در مقیاس اتمی و ساب اتمی اتفاق می افتد. بنابراین تکنولوژی طوری پیشرفته کرده است که ما بتوانیم ابزارها را در مقیاس اتمی بازسازی و دست کاری کنیم. این بدان معنی است که ما پتانسیل ایجاد کامپیوترهایی که اطلاعات را به طور کامل با استفاده از کوانتوم ذخیره و پردازش کنند داریم. برای مثال یک الکترون یک وسیله کوانتوم خالص و مشخص است که تا حدی مثل یک مگنت در حال چرخش همیشگی کوچک رفتار می کند. اگر این الکترون در فیلد دیگر مغناطیسی قرار گیرد دو موقعیت طبیعی دارد که هم و یا در یک ردیف قرار می گیرند یا در مخالف هم قرار می گیرند. ما این دو موقعیت را چرخش به بالا و چرخش به پایین می نامیم. بنابراین الکترون می تواند برای ذخیره یک رقم از اطلاعات استفاده شود که اسپین به پایین = 0 اسپین به بالا= 1 بنابراین این یک مشابه یک کامپیوتر معمولی است به جز اینکه اطلاعاتش به طور غیرقابل باوری در یک فضای کوچک ذخیره می شود. برای مثال اطلاعات ممکن است. در الکترون ها ذخیره شوند و هر رقم اطلاعات فضای یک اتم را اشغال می کند که بسیار کوچک تر از فضای مرسوم اشغالی روی هارد کامپیوتر شماست. حالا ما به معجزه کوانتوم می رسیم. ما در بالا اشاره کردیم که یک آینده عجیب برای جهان کوانتوم ممکن است، که یک ذره تنها نمی تواند طوری رفتار کند که در زمان مشابه در بیش از یک مکان باشد. این ویژگی کلی جهان کوانتوم است که چیزهایی می توانند همزمان در بیش از یک مکان وجود داشته باشند و این اصل Super position نامیده می شود. در الکترون، الکترون می تواند در موقعیت هایی چرخش به بالا و پایین همزمان وجود داشته باشد. به عبارت دیگر به جای صفر یا یک می توان از صفر و یک استفاده کرد. چطور این به ما کمک می کند؟ اگر ما سه رقم کوانتومی داشته باشیم یا کیوبیت ها، ما موقعیت های 000، 001،010 و... داریم همه ایم موقعیت ها می توانند همزمان رخ دهند. همینطور این امکان وجود دارد که این کیوبیت ها را با استفاده از قوانین فیزیک کوانتوم دست کاری کرد تا محاسبات مختلف همزمان را انجام داد: یک کامپیوتر کوانتوم موازی، این موازی بودن کوانتوم نتیجه اش محاسبه قدرت است که به صورت نهایی افزایش می یابد. و با هر کیوبیت اضافی دو برابر می شود.افزایش یک کیوبیت قدرت محاسبه را با ضریب 2 افزایش می دهد. افزودن دو کیوبیت قدرت محاسبه را با ضریب 4 افزایش می دهد و سه کیوبیت آن را با ضریب 8 افزایش می دهد و الی آخر. با صد کیوبیت قدرت خام محاسبه کردن ممکن است خیلی زیادتر از آن چیزی که ما امیدواریم تا با کامپیوترهای معمولی به آن برسیم افزایش می یابد. بنابراین معجزه در این است که چطور کیوبیت ها دست کاری شوند که مشابه کوانتوم برنامه کامپیوترهای قدیمی به کامپیوتر می گوید که چه نوع از محاسبه را انجام دهد. بنابراین فقط انواع کمی از سوالات است که ما می دانیم که چطور باید این سوالات را از کامپیوتر کوانتوم بپرسیم تا حل کند، همچنین مطمئن بود که این مسائل اهمیت زیادی دارند. یکی از این سوالات این است که چطور باید تعداد زیادی از اعداد که محصول اعداد اولیه است را بنویسیم و این یک از روش های اصلی برای رمزگذاری جدید است. با یک کامپیوتر کوانتومی شما می توانید به آسانی پیام های رمزگذاری شده که بین اینترنت بانک ها، دولت ها و... در جریان است را رمزگشایی کنید.(در حالیکه حتی یک کامپیوتر کوانتومی هم نمی تواند پردازش کلیدهای توزیعی کوانتومی را که در بالا توضیح داده شده را استراق سمع کند). فیزیکدانان تئوریک و ریاضی دانان در حال کار روی گسترش انواع روش های مسائل کامپیوتر های کوانتومی هستند که می توانند حل شوند. همچنین تعدادی چالش آزمایشگاهی وجود دارد. ما بحث رمزگذاری کوانتوم، اطلاعات کوانتوم – ذخیره اطلاعات در Super position و موقعیت های پیچیده را دیدیم که این موقعیت ها بسیار حساس اند و به آسانی با تحت تاثیر تاثیرات بیرونی نابود می شوند. یک کامپیوتر کوانتومی ایده آل باید در زمانی که محاسبات کوانتوم موازی را انجام می دهد کاملا از محیط جدا باشد. البته این شرایط امکان پذیر نیست و نتیجه اش اختلالات تصادفی در محاسبات می باشد.از طرف دیگر دانشمندان کامپیوتر و فیزیک یک تئوری کلاسیک تصحیح خطاهای Fault – Tolerant را ابداع کردند( که برای ثابت کردن محاسبات سنتی در محیطی ناپایدار یا در دوره طولانی لازم است) تا با این تئوری یک سری از تکنیک هایی که به ما اجازه می دهد تا اطلاعات کوانتوم را از خطاهای واقعی محافظت کنند را پیشرفت دهند. این تکنیک ها نیاز به کنترل سیستم کوانتوم خوب اما غیر کامل دارند و فیزیکدانان، مهندسان در حال کار روی پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی نیاز دارد. بنابراین کامپیوترهای کوانتومی به طور تئوری بازسازی شدند و ورژن های ساده ساخته شده اند. اول اینکه وقتی فیزیکدان آزمایشگاهی در ساخت کامپیوتر کوانتومی بزرگ موفق شد باید قادر باشد رمزی بودن جهان کوانتوم را تحت کنترل در آورد. و دوم اینکه انواع محاسباتی ویژه ای بر روی کامپیوترهای سنتی که هزاران سال زمان ببرد. همین تلاش هایی برای کنترل جهان کوانتوم برای خلق تکنولوپیهای جدید کاربردی و قدرتمند فیزیکدانان را وادار کرده تا عمیق تر درباره کارهای جهان(اساس تئوری کوانتوم) که می تواند سبب هدایت به بینش جدیدی از مسائل بزرگ شود فکر کنند: الحاق کوانتوم و تئوری واحد و نامشخص جاذبه کوانتوم . Teleportation کوانتوم به فیزیکدانان اجازه می دهد تا اطلاعات کوانتوم را از یک قسمت از کامپیوتر کوانتومی به بقیه کامپیوترها انتقال دهد. اصل درهم تنیدگی کوانتومی: در هم تنیدگی کوانتومی یک پدیده فیزیک است که زمانی اتفاق می افتد که یک جفت یا یک گروه از ذرات در راه هایی تولید میشود که در جنین موقعیتی برای هر ذره نمی تواند بطور مستقل توضیح داده شود. به راستی کوانتوم برای یک سیستم بطور کلی قابل توضیح است.اندازه گیری ویژگی های فیزیک مثل موقعیت ، انرژی جنبشی ، اسپین، قطبیت ،... بر روی اجزاء درگیر پیدا شده که بطور مناسبی بهم مرتبط هستند. برای مثال اگر یک جفت از اجزا در چنین سیستم های تولید شوند اسپین کل آنهاصفر شناخته می شود و یک جزء در جهت عقربه های ساعت هست و حول یک محور چرخش می کند.سپس اسپینهای جزء دیگر که در حول همان محور اندازه گیری می شود و در جهت خلاف عقربه های ساعت است به خاطر طبیعت اندازه گیری کوانتومی بنابراین رفتار منشاء تاثیراتی می شود که به نظر می رسد که متناقض باشد: اندازه گیری ویژگی های اجزاء می تواند به عنوان یک عمل روی اجزا دیده شود(به عنوان مثال با متلاشی شدن تعدادی از موقعیت های اضافه شده) ودر این اجزاء درهم تنیده چنین فعالیتی باید بر روی کل سیتم درگیر انجام شود. بنابراین به نظر می رسد که یک جزء از جفت درگیر شناخته می شود و اندازه گیری روی دیگر انجام می شود و در نتیجه با وجود اینک مفهوم شناخته شده ای برای چنین اطلاعاتی که بین اجزاء ارتباط برقرار کند نیست که این اطلاعات در زمان اندازه گیری با فاصله زیاد از هم جدا شده اند. چنین پدیده ای موضوع مقاله 1935 آلبرت اینشتین، موریس پودولسکی و ناتان روژن بود که تناقض EPR را توضیح میداد و چندین مقاله ار شرودینگر بطور مختصر بعد از آن منتشر شد که همین موضوع را توضیح می داد.اینشتین و دیگران چنین رفتارهای غیر ممکنی را توضیح دادند که این دید رئالیست موضعی از رابطه علت و معلول را مختل کرد. (اینشتین به Spooky action در یک مسافت ارجاع داد) و استدلا ل آورد که فرمول پذیرفته شده مکانیک کوانتومی باید ناقص باشد . بعدا علاوه بر این پیش بینی مبتنی بر در ک مستقیم مکانیک کوانتومی بطور آزمایشی اصلاح شد.آزمایشات انجام شده شامل اندازه گیری قطبیت یا اسپین همه اجزاء درگیر در جهات مختلف است که با تولید تخلف نابرابری بل به صورت آماری توضیح داد که دید رئالیست موضعی نم یتواند درست باشد. این زمانی که اندازه گیری انجام شده خیلی سریعتر از سرعت نور است. نیز اتفاق می افتد همچنین تاثیر سرعت نور یا آهسته تر از آن را ندارد که بتواند بین اجزاء درگیر عبور کند . آزمایشات اخیر اجزاء درگیر در سرعت یک هزارم سرعت نور را اندازه گیری کرد مطابق تئوری کوانتوم تاثیر به صورت ثابتی اتفاق می افتد. از تاثیر انتقال اطلاعات کلاسیک در سرعت بیشتر از نور امکانپذیر نیست . در هم تنیدگی کوانتومی یک منطقه فوق العاده فعال در تحقیقات فیزیک ارتباطی است. و تاثیر آن به صورت آزمایشگاهی به فوتون و الکترون و مولکولهایی در سایزبوکی بالز حتی الماسهای کوچک نشان داده شده است. تحقیقات همچنین بررسی استفاده از تاثیر در هم تنیدگی در ارتباطات و محاسبه متمرکز شده است. اصل عدم قطعیت:

از کوانتو م مکانیکی اصل عدم قطعیت یک نوع نابرابری ریاضی اند، که یک محدودیت بنیادی با یک جفت از ویژگی هایی فیزیکی یک ذره شناخته شده مکمل مثل موقعیت x و p را اثبات می کند که در x وp همزمان با هم اتفاق می افتد برای مثال در سال 1937 ورنر هیزنبرگ توضیح داد که موقعیت چندین ذره خیلی دقیق تر مشخص گردید و انرژی جنبشی این ذره ها با دقت کمتری تعیین شد و بر عکس. نابربری مرسوم مرتبط با انحراف استاندارد موقعیت سیکما ایکس و انحراف استاندارد انرژی جنبشی سیکما پی بوسیله  Kennard  و بعدا توسط Hermann wey توضیح داده شد.

استدلال اکتشافی اصلی که مثل یک محدودیت باید وجود داشته باشد به وسیله هیزنبرگ ارائه شد و اصل هیزنبرگ نام گرفت این اصل عدم قطعیت در مقادیر قابل اندازه گیری به اختلال Joit – Like نسبت می ده. بنابراین بطور وسیعی از کتب مختلف تکرار شد، این بحث فیزیکی حالا به عنوان یک عامل گمراه کننده شناخته می شود. زمانیکه عمل اندازه گیری باعث عدم قطعیت می شود کاهش وقت خیلی کمتر از آن چیزی است که در بحث هیزنبرگ پیش بینی شده بود که نتیجه رسمی ریاضی واضح باقی می ماند. از نظر تاریخی اصل عدم قطعیت پیچیده و مبهم است و با تاثیر مختصر مشابهی فیزیک ، تاثیرمشاهده کننده نامیده می شود که اندازه گیری سیستم مقطعی نمی تواند بدون سیستم موثر انجام شود. هیزنبرگ این تاثیر مشاهده کننده را در کوانتوم پیشنهاد کرد. به عنوان یک توضیح فیزیکی از عدم قطعیت کوانتوم . این موضوع رهایی واضح شد بهر حال اصل عدم قطعیت در خصوصیات سیستم شبه موج به صورت ذاتی وجود دارد. و از مکانیک کوانتومی که به سادگی طبیعت مادی موج در همه موضوعات کوانتوم می شود منشا می گیرد. بنابراین اصل عدم قطعیت ویژگی های بنیادی سیستم کوانتوم را توضیح می دهد. و توضیحی درباره موقعیت معنی بر مشاهده تکنولوژی حاضر ندارد باید تاکید شود که سنجش و اندازه گیری فقط فرآیندی نیست که یک فیزیکدان مشاهده گر بررسی کند اما هر در هم کنشی بین موضوعات کلاسیک و کوانتوم بدون توجه به هر مشاهده گری را بررسی می کند. در حالیکه اصل عدم قطعییت نتیجه اساسی مکانیک کوانتومی است. آزمایشات در مکانیک کوانتومی به صورت روتین چشم اندازی از آن را بدست می دهد. آزمایشات قطعی به طور عمده فرم ویژه ای از اصل عدم قطعیت را به عنوان قسمتی از برمنامه تحقیقات را مورد آزمایش قرار می دهد. این ها سیستم های اپتیک کوانتوم را در می گیرد. اپلیکیشن های وابسته به اصل عدم قطعیت برای کارشان تکنولوژی اختلال خیلی پایین را مثل آن چیزی که در پدیده Gravitional – Wave interferometer نیاز است را درگیر می کند. اصل لامکانی: در فیزیک لامکانی یا فعالیت در یک فاصله یک بر هم کنش مستقیم دو هدف است که در فضا با میانجی قابل درک یا مکانیسمی جدا شده اند. با توجه به طبیعت بدون شرح جاذبه نیوتون فعالیت در یک فاصله را مورد توجه قرار داد یک پوچی فعالی که من معتقدم که هیچ کسی با استعداد ذهنی تا حالا در آن گیر نیفتاده است. لامکانی کوانتوم اشاره به نظر یه اینشتین دارد که فعالیت شبح وار در یک فاطله از درهم پیچیدگی کوانتومی نامیده می شود. لامکانی به موارد زیر می تواند اشاره داشته باشد: تاثیر لامکانی Aharonov – Bohm یک پدیده کوانتوم مکانیکی که ذرات شارژ شده با بار الکتریکی با میدان الکترومغناطیسی تحت تاثیر قرار می گیرد علیرغم این حقیقت که میدان مغناطیسی در منطقه مورد توجه صفر است. لامکانی Lagrangion یک Lagrangian کیه شامل اصطلاحی است که در میدان بدون مکان هستند عمومیت لامکانی از معادله لندن باعث Pippard می شود.