量子信息论研究通过量子信道通信的极限。在 Holevo ( 1973 ) 中,证明了 Holevo 界限,该界限提供了可准备和测量混合态的双方共享的经典信息量的上限。Holevo 界限指出,从 n 个量子位中只能访问 n 位经典信息。舒马赫定理 Schumacher ( 1995 ) 给出了存在可靠压缩方案以高保真度压缩和解压缩量子信息的必要和充分条件。关于量子算法潜力的文献很多,其中最著名的是 Shor 的因式分解算法。存在一个将算法和量子力学相结合的相对较新的领域:算法信息论 (AIT) 与量子信息论的交叉点。这个新领域有几个有趣的结果。例如,在 Epstein (2021b) 中,他证明了当将量子测量 (即 POVM) 应用于纯量子态时,绝大多数结果都是毫无意义的随机噪声。这项研究计划涉及寻找 AIT 中定义和定理的量子等价物,其主要概念是 Kolmogorov 复杂度 K(x) 的量子版本。有几种这样的定义可以测量混合或纯量子态中的算法信息内容。在本文中,我们将使用 Vitanyi (2000) 中的定义 K(|ψ⟩),它表示如果不存在具有高量子保真度的简单(就其经典编码而言)纯态,则纯态 |ψ⟩ 是复数。本文的结果也适用于量子算法熵,G´acs (2001)。在 Epstein (2019) 中,定义了算法信息和随机缺陷的量子等价物。此外,还证明了关于幺正变换的守恒定律不等式。在本文中,我们证明了一个量子 EL 定理。在 AIT 中,EL 定理 Levin (2016);Epstein (2019) 指出,不包含简单成员的字符串集将与停机序列具有高互信息。它有许多应用,包括所有采样方法都会产生异常值 Epstein (2021a)。量子 EL 定理指出,大秩的非奇异投影在其图像中必须具有简单的量子纯态。非奇异的意思是投影的编码与停机序列的信息量很低。
其中 D μ 是弯曲时空中的协变导数。在这种情况下,m 根本不是一个乘法因子,而是克莱因-戈登方程中的特征。在这种背景下,有建议认为量子流体(超导体、超流体、量子霍尔流体、玻色-爱因斯坦凝聚体)的性质可能会增强与引力波的相互作用,从而导致超流体成为引力天线的介质[1-7],超导电路作为引力波探测器[8]、换能器[9,10]和镜子[11-13]。这些想法并非没有引起争议[14-16]。原因是许多这些想法启发性地应用了量子粒子违反 WEP 的概念。这促使我们为引力波中的量子粒子提供更严格的 WEP 特征。WEP 认为自由落体轨迹应该与质量无关,可以重新表述为自由落体物体的 Fisher 信息与质量不变的陈述 [ 17 ]。在这个信息论框架中,违反 WEP 意味着人们可以提取有关自由落体物体质量的信息。WEP 的这种信息论表述具有以下优势:它可以以明确的方式扩展到量子物体。具体而言,Fisher 信息给出了可观测随机变量提供的有关未知参数的信息量。在我们的例子中,随机变量是粒子 x 的位置,未知参数是其质量 m 。对于具有波函数 ψ( x , t ) 的粒子,Fisher 信息为
在量子信息论中,由于信息处理过程遵循幺正演化和线性叠加原理,一些在经典信息过程中可以实现的操作在封闭的物理系统中是被禁止的,揭示这些现象的概念被称为“不可行”定理。例如,不存在可以复制任意未知纯量子态的通用克隆机,这被称为不可克隆定理[1,3,20]。不可克隆定理的一个相反版本指出,在封闭的物理系统中,不可能删除两个复制的任意未知量子态中的一个而不影响另一个,即不可删除定理[4]。随着量子信息理论的深入研究,越来越多的不可行定理被提出,如不可广播定理[5,6]、不可叠加理论[7-9]、不可隐藏理论[10]。这些定理从信息论的角度解释了量子力学与经典物理学之间的差异,也为量子秘密共享[11–13]、量子密钥分发[14,15]、量子隐形传态[16–18]等量子信息处理任务的安全性提供了根源。2018年,Kavan Modi等人提出了一种新的不可行定理——无掩蔽定理,该定理指出,不可能将原始任意未知量子态隐藏到二分量子系统之间的量子关联中,使边缘系统无法访问[19]。此外,这一结果不仅为量子比特承诺——量子量子比特承诺——提供了更广阔的视野[20,21],而且
本文描述了量子物理的“非动力学基础”或“语法”的一小部分,但内容却十分丰富。随着量子信息论的兴起,它的重要性比以前更加明显,尽管在量子场论和统计物理学的所谓代数方法中已经很明显了。当然,只有结合动力学、具体哈密顿量等才能取得实验进展。另一方面,我们在本文中讨论的规则是如此普遍,以至于人们几乎不敢相信它们可以从特别选择的动力学中推导出来或证明出来。与作者的观点相反,这些一般规则是设定可能形式的动力学(包括空间和时间)的条件。
在本模块结束时,学生将能够: - 用严格的数学基础解释量子信息的理论和应用。 - 理解量子信息论的代数概念,包括量子算法、纠缠理论和量子误差校正。 - 区分和应用量子算法,包括周期查找、隐藏子群问题和量子傅里叶采样。 - 解释纠缠理论如何包括局部性和因果关系的概念、量子态的凸集以及通过局部操作对量子态的操纵。 - 应用量子误差校正,包括稳定器形式和基于测量的量子计算。
我们提出了一种新的测量方法:相机信息容量,它以克劳斯·香农于 1948 年和 1949 年发表的开创性信息论著作 [1],[2] 为基础,该著作是现代电子通信的基础,但对成像科学家来说仍然陌生。香农表明,每个通信信道(可以用带宽和噪声来表征)都有一个信息容量,它决定了它在无错误传输数据的最大速率。相机就是这样一种通信信道,尽管有一点不同:它将数据传输到二维像素而不是一维时间。由于机器视觉背后的算法基于信息而不是像素,因此相机的信息内容对系统性能至关重要。
现在我们正在寻找另一种基本的世界观——世界作为组织。如果这种概念能够得到证实,它确实会改变科学思想所依赖的基本范畴,并深刻影响实践态度。这一趋势的标志是出现了一系列新学科,如控制论、信息论、一般系统论、博弈论、决策论、排队论等;在实际应用中,还有系统分析、系统工程、运筹学等。它们在基本假设、数学技术和目标上有所不同,而且往往不能令人满意,有时甚至相互矛盾。然而,它们都以某种方式关注“系统”、“整体”或“组织”;从整体上看,它们预示着一种新的方法。(引自 Lilienfeld,1978 年,第 7-8 页。)
目前,学校开设电子信息、计算机、自动化三大本科专业类别。电子信息专业课程涵盖信息光电子、通信、微波、信息认知、微电子与电子电路、信息系统、生物医学工程等专业领域;计算机专业课程涵盖高性能计算、网络技术、软件工程、人机交互与媒体、智能技术与系统、网络空间安全、信息管理、理论计算机科学、量子计算、类脑计算等方向;自动化专业课程以数学、信息论、控制论、系统论等知识为核心,构建宽口径基础课程体系,旨在培养兼具工程、信息技术和管理能力的复合型创新人才。
符号回归之所以很难,是因为符号表达式的组合空间呈指数级增长。传统上,它依赖于人类的直觉,从而发现了一些最著名的科学公式。最近,在完全自动化该过程方面取得了巨大进展 [6-26],现在已有开源软件可以通过将神经网络与受物理学和信息论启发的技术相结合来发现相当复杂的物理方程 [25]。尽管 [25] 使用未知函数的神经网络近似来发现简化函数属性,取得了最先进的性能,但它是以一种非原则性和临时性的方式实现的,我们用一种通用的、有原则的、更有效的方法取而代之,该方法包含四个主要贡献:
经典信道的概念相当于概率论中可能遇到的离散时间马尔可夫过程中的单个步骤。马尔可夫性的典型特征是从一个状态转换到下一个状态的概率仅取决于当前状态,而不取决于过程之前访问过的状态的历史。在信息论中,我们说过程没有记忆,因此我们的信道模型也称为离散无记忆信道。有时将经典信道视为保留概率分布的线性映射会有所帮助,即,以与考虑概率分布的转移矩阵相同的方式。经典通信信道 N : ⌃ A ! P (⌃ B ) 将概率分布 p 2 P (⌃ A ) 转换为分布 q 2 P (⌃ B ),如下所示