Физические основы квантовых сквозных ИТ в Индустрии 5.0 / 6.0 и интеллектуальном когнитивном управлении: стохастическая механика, информационная геометрия, квантовая информационная физика / термодинамика
Боковая панель статьи
Основное содержимое статьи
Аннотация
Введение понятия универсальной машины Тьюринга было положено в основу аксиоматики обработки информации, а само понятие «информация» введено как алгоритмическое определение носителя данных. Синтаксис алгоритмического представления информационных процессов стал базисом для систем сбора, обработки и представления данных для лица, принимающего решение. Однако переход образовательных процессов в ИТ от классических к квантовым представлениям столкнулся с рядом методологических трудностей, одна из которых – освоение физических представлений квантовой механики, квантовой теории информации и квантовой термодинамики. Релятивистская механика с представлениями метрик пространства – времени и интерпретацией релятивистских эффектов в квантовой теории информации только усилили трудности освоения и практической реализации проектов Индустрия 5.0 / 6.0. В результате разрыв между подготовкой ИТ-специалистов нового поколения существенно затянулся и потребовалось существенно пересмотреть сам образовательный процесс.
В статье представлен опыт изложения основ описания и физической интерпретации квантовых процессов для ИТ-специалистов, разработчиков систем управления и робототехники, опираясь на представления классической стохастической механики и теории случайных процессов, вводя по мере необходимости дополнительные понятия и их формализованное представления, которые следуют из принятой классической формы.
Скачивания
Информация о статье
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Библиографические ссылки
Френкель Я. И. Курс теоретической механики на основе векторного и тензорного анали-за. – М. – Л.: ГТТИ. – 1940.
Ульянов С. В., Шоланов К. С. Релятивистская инерциальная навигация и интеллектуаль-ное управление КЛА в римановых метрических пространствах при случайных возмуще-ниях. Ч. 1: Параллельный перенос векторов и тензоров, девиация геодезических линий // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. 2012. – № 1. – С. 66-91. –URL: https://sanse.uni-dubna.ru/index.php/sanse/article/view/95.
Denman H. H., Buch L. H. Solution of the Hamilton-Jacobi equation for certain dissipative classical mechanical systems // J. Math. Phys. – 1973. – Vol. 14. – pp. 326 – 329.
Ohsawa T., Bloch A. Nonholomonic Hamilton-Jacobi equation and integrability // J. Geometric Mechanics. – 2009. – Vol. 1. – No 4. – pp. 1 – 21.
A unified framework for mechanics: Hamilton-Jacobi equation and applications / P. Balseiro, J. C. Marrero, D. M. de Diego, E. Padron. – 2010. – arXiv: 1001.0482v1 [math-ph].
Applied Bohmian mechanics / A. Benseny, G. Albareda, A. S. Sanz, J. Mompart, X. Oriols. – arXiv:1406.3151v1 [quant-ph] 12 Jun 2014.
Stochastic analysis of time-invariant non-linear dynamic systems. Pts 1 and 2 / S. V. Ulyanov, F. Arai, M. Feng, T. Fukuda // Prob. Eng. Mech. – 1998. – Vol. 13. – № 3. – pp. 183 – 203; pp. 205-226.
Ульянов С. В. Модели квантовых волновых уравнений и приложения в компьютерных нанотехнологиях. Ч. 1: Квантовый постулат на основе характеристик обобщенного урав-нения Гамильтона-Якоби // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. – 2012. – № 1. № 1. – С. 23-65. –URL: https://sanse.uni-dubna.ru/index.php/sanse/article/view/42.
Гольденблат И. И., Ульянов С. В. Избранные лекции по теории относительности и кван-товой механике. – М.: МО СССР, 1964.
Аржаных И. С. Поле импульсов. – Ташкент: Наука, 1965.
Петров Б. Н., Гольденблат И. И., Ульянов С. В. Проблемы управления квантовыми и ре-лятивистскими динамическими системами. – М.: Наука, 1982.
Kinetic equations for quantum information / Qiao B. et al. // Physica A. – 2005. – Vol. 355. – pp. 319–332. – DOI: 10.1016/j.physa.2005.02.023.
Иванов М. К. Как понимать квантовую механику. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хао-тическая динамика», 2012.
Frieden B. R. Science from Fisher information: A unification – Cambridge Univ. Press. – 2004.
Jungel A. The Fisher information in Lagrangian mechanics on probability spaces // Institute for Analysis and Scientific Computing, Vienna University of Technology, Wiedner Hauptstraße 8–10, 1040 Wien, Austria. 2003.
Von Renesse Max-K. An optimal transport view on Schrodinger equation. – arXiv:0804.4621v3 [math-ph] 12 Mar 2009.
Zozor S. On Generalized Stam Inequalities and Fisher–Rényi Complexity Measures // Entropy. – 2017. – Vol. 19. – No 9. – pp. 493; doi:10.3390/e19090493.
Rényi generalizations of the conditional quantum mutual information / Berta M. et al. // J. of Mathematical Physics. 2015. – Vol. 56, No 2. – pp. 022205. – DOI: https://doi.org/10.1063/1.4908102
On quantum Renyi entropies: a new generalization and some properties/ Muller-Lennert M. et al. –arXiv:1306.3142v4 [quant-ph] 27 Jan 2014.
Dupuis F., Wilde M. M. Swiveled Renyi entropies . – arXiv:1506.00981v4 [quant-ph] 18 Feb 2016.
Pedagogical Intrinsic Approach to Relative Entropies as Potential Functions of Quantum Met-rics: the q - z Family / Ciaglia M.M. et al. –A arXiv:1711.09769v1 [quant-ph] 27 Nov 2017
A new class of entropic information measures, formal group theory and information geometry / Rodriguez M.A. et al. – arXiv:1807.01581v1 [math-ph] 4 Jul 2018.
Properties of Noncommutative Renyi and Augustin Information / Cheng H-C. et al. –arXiv:1811.04218v1 [quant-ph] 10 Nov 2018.
Gallager R. Information Theory and Reliable Communication. Wiley, 1968.
Burnashev M. V., Holevo A. S. On the reliability function for a quantum communication channel // Problems of information Transmission. – 1998. – Vol. 34. – No. 2. – pp. 97–107.
Jarzyna M., Kołodynski J. Geometric Approach to Quantum Statistical Inference // IEEE J. on Selected Areas in Information Theory. – 2020. – Vol. 1. – No. 2. – pp. 367-385.
Kim E. Investigating Information Geometry in Classical and Quantum Systems through Infor-mation Length // Entropy. – 2018. – Vol. 20. – pp. 574. – DOI:10.3390/e20080574.
Ito S. Thermodynamics of information geometry as a generalization of the Glansdorff-Prigogine criterion for stability . – arXiv:1908.09446v1 [cond-mat.stat-mech] 26 Aug 2019.
Ahmadi B., Salimi S., Khorashad A.S., Kheirandish F. The quantum thermodynamic force re-sponsible for quantum state transformation and the flow and backflow of information // SCI-ENTIFIC REPORTS. – 2019. Vol. 9 (8746). – DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-45176-1.
Ahmadi B., Salimi S., Khorashad A.S. Irreversible work and Maxwell demon in terms of quan-tum thermodynamic force // Scientific Reports. – 2021. – Vol.11 (2301). – DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-81737-z.
Conditional Entropy Production and Quantum Fluctuation Theorem of Dissipative Information / Zhang K., Wang X., Zeng Q. et al. – arXiv:2105.06419v1 [quant-ph] 13 May 2021.
Nakamura T., Hasegawa H.H., Driebe D.J., Reconsideration of the generalized second law based on information geometry // J. Physics Communications. – 2019. – Vol. 3. – No 1. – pp. 015015. DOI: https://doi.org/10.1088/2399-6528/aafe1b.
Quantum Heat Engines with Carnot Efficiency at Maximum Power / Bera M.L. et al. –arXiv:2106.01193v1 [quant-ph] 2 Jun 2021.
Universal bound on energy cost of bit reset in finite time / Zhen Y. et al. – arXiv:2106.00580v1 [quant-ph] 1 Jun 2021.
Sagawa T., Ueda M. Minimal Energy Cost for Thermodynamic Information Processing: Meas-urement and Information Erasure // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 102. – No 25. – pp. 250602. [Erratum: Phys. Rev. Lett. 106, 189901, 2011.]
Horowitz J. M., Sandberg H. Second-law-like inequalities with information and their interpreta-tions // New Journal of Physics. – 2014. – Vol. 16. – pp. 125007.
Sandberg H. et al. Maximum work extraction and implementation costs for nonequilibrium Maxwell’s demon // Physical Review E. – 2014. – No 4. -– pp. 042119.
Sieniutycz S. et al. Framework for optimal control in multistage energy systems // Physics Re-ports. – 2000. – Vol. 326. – No 2.
Ulyanov S. V. Quantum Algorithm of Imperfect KB Self-organization Pt I: Smart Control - In-formation-Thermodynamic Bounds // Artificial Intelligence Advances. – 2021. – Vol. 3. – No 2.
Sagawa T. Thermodynamic and logical reversibilities revisited. – arXiv: 131П2.1886v1 [cond- mat.stat-mech] 8 Nov 2013.
Yamano T. Phase space gradient of dissipated work and information: A role of relative Fisher information. – arXiv: 131П2.2176v1 [cond-mat.stat-mech] 9 Nov 2013.
Koenraad M. R. Audenaert. Datta N. -Renyi relative entropies. – Preprint. – 2018.
Inequalities for Quantum Divergences and the Audenaert–Datta Conjecture / Carlen E. A. et al. – http://arxiv.org/abs/1806.03985v1.
Ghosh A., Basu A. A Generalized Relative (α, β) – Entropy: Geometric Properties and Applica-tions to Robust Statistical Inference // Entropy. – 2018. Vol. 20. – No 2. – pp. 347. DOI: doi:10.3390/e20050347.
Ульянов С. В. Обобщенные меры количества информации и энтропии // Итоги Науки и Техники. Сер. Техн. Кибернетика. – Т. 5. – ВИНИТИ АН СССP. – 1973.
Petrov B. N., Dobrushin R. L., Pinsker M. S., Ulyanov S. V. On some interrelations between the theories of information and control // Problems of Control and Information Theory. – 1976. – Vol. 5. – No 1. – pp. 31-38.
Tsallis C. Possible generalization of the Boltzmann–Gibbs statistics // Journal of Statistical Physics. – 1988. – Vol. 52. – Nos. ½. – pp. 479–487.
Jensen H. J., Tempesta P. Group Entropies: From Phase Space Geometry to Entropy Function-als via Group Theory // Entropy. – 2018. – Vol. 20. – pp. 804. – DOI:10.3390/e20100804.
Tempesta P. Formal Groups and Z-Entropies. – arXiv:1507.07436v4 [math-ph] 4 Feb 2017.
A New Class Of Entropic Information Measures, Formal Group Theory And Information Ge-ometry / M.A. Rodriguez et al. – arXiv: 1807.01581 [Math-Ph]. 2018.
Ulyanov S. V. Quantum fast algorithm computational intelligence PT I: SW / HW smart toolkit // Artificial Intelligence Advances. – 2019. – Vol. 1. – No 1. – pp. 18-43.
The second laws of quantum thermodynamics / Brandão F., et al. // PNAS. – 2015. – Vol. 112. – No 11. – Pp, 3275–3279. – DOI: 10.1073/pnas.1411728112.
Gómez A. Complexity and time // Phys. Rev. D. – 2020. – Vol. 101. – No 6. – pp. 065016. DOI: 10.1103/PhysRevD.101.065016.
Sagawa T., Masahito U. Generalized Jarzynski Equality under Nonequilibrium Feedback Con-trol // Phys. Rev. Lett., 2010, 104: 090602; doi: 10.1103/PhysRevLett.104.090602.
Goold J. The role of quantum information in thermodynamics—a topical review // J. Phys. A: Math. Theor. – 2019. – Vol. 49. – No 14. – pp. 143001 (50pp). – DOI:10.1088/1751-8113/49/14/143001.
Vanchurin V. The World as a Neural Network // Entropy. – 2020. – Vol. 22 (1210). – DOI: 10.3390/e22111210.
Sagawa T. Thermodynamic and logical reversibilities revisited. – arXiv: 131П2.1886v1 [cond- mat.stat-mech] 8 Nov 2013.
Yamano T. Phase space gradient of dissipated work and information: A role of relative Fisher information. – arXiv: 131П2.2176v1 [cond-mat.stat-mech] 9 Nov 2013.
Ilgin I., Yang I-Sh. Energy carries information. – arXiv:1402.0878v1 [hep-th] 4 Feb 2014.
Horowitz J. M., Esposito M. Thermodynamics with continuous information flow. –arXiv:1402.3276v2 [cond-mat.stat-mech] 14 Feb 2014.
Renes J. M. Work Cost of thermal operations in quantum and nano thermodynamics. –arXiv:1402.3496v1 [math-ph] 14 Feb 2014.
Horowitz J. M., Sagawa T. Equivalent definitions of the quantum nonadiabatic entropy produc-tion . –arXiv:1403.7778v1 [quant-ph] 30 Mar 2014.
Lang A. H., Fisher Ch. K., Mehta P. Thermodynamics of statistical inference by cells. –arXiv:1405.4001v1 [physics.bio-ph] 15 May 2014.
Apollaro T. J. G., Francica G., Paternostro M., Campisi M. Work statistics, irreversible heat and correlations build-up in joining two spin chains. – arXiv: 1406.0648v1 [cond-mat.stat-mech] 3 Jun 2014.
Gomez C. Complexity and time // Phys. Rev. – 2020 D. – No 101. – pp. 065016.
Funo K., Watanabe Yu., Ueda M. Thermodynamic work gain from entanglement // Phys. Rev. – 2013. – Vol. A88. – No 5. – pp. 052319.
Toyabe S., Sagawa T., Ueda M., Muneyuki E., Sano M. Experimental demonstration of infor-mation-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality // Nature Physics. – 2010. – Vol. 6. – pp. 988-992.
Geiger D., Kedem Z.V. Quantum-Entropy Physics. – arXiv:2103.07996v1 [quant-ph] 14 Mar 2021.
Geiget D., Kedem Z.V. Quantum Entropy. – arXiv:2106.15375v1 [quant-ph] 29 Jun 2021.
Geiger D., Kedem Z.V. Quantum Entropy Evolution . – arXiv:2106.15378v1 [quant-ph] 29 Jun 2021.
Informational steady-states and conditional entropy production in continuously monitored sys-tems: the case of Gaussian systems / Belenchia A. et al. – arXiv:2105.12518v1 [quant-ph] 26 May 2021.
Ulyanov S.V. Intelligent self-organized robust control design based on quantum/soft computing technologies and Kansei Engineering // Computer Science J. of Moldova. – 2013. – Vol. 21. – No 2(62) 242. – pp. 279-291.
Ulyanov S. V. Self-organizing quantum robust control methods and systems for situations with uncertainty and risk. – Patent US 8788450 B2, 2014.
Ulyanov S. V. Self-organized robust intelligent control. Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing. –2015. – 412 p.
Ulyanov S. V. Quantum relativistic informatics. LAP LAMBERT Academic Publishing, Om-niScriptum GmbH & Co. KG, 2015.
Multiple quantum NMR in solids as a method / Doronina I. et al. // of determination of Wig-ner–Yanase skew information. – arXiv:2106.01017v1 2 Jun 2021.
Grayson M., Rackson Ch, Maximal energy extraction through information gathering. –arXiv:2211.10481v1 [gr-qc] 18 Nov 2022.
Environmental-induced work extraction / Ovali R.V. et al. – arXiv: 2301.00574 [quant-ph]. – 2 Jan, 2023.
Quantum coherence can be transformed into heat / Yan X-Q. et al. – arXiv: 2301.00196 [quant-ph]. – 3 Jan, 2023.