Квантовый Циолковский

Российскому ученому впервые вручена премия Шеннона

Работа Российского квантового центра
Работа Российского квантового центра
Фото: Максим Блинов / РИА Новости

Профессору Александру Холево, сотруднику Математического института имени В.А. Стеклова и Российского квантового центра (РКЦ), присуждена престижная премия Шеннона, вручаемая за достижения в области теории информации. Последний раз ученые из нашей страны удостаивались ее 37 лет тому назад — еще в советское время, в 1978 году. «Лента.ру» попыталась разобраться, почему сейчас она досталась именно Александру Холево.

Может показаться, что премия нашла своего адресата с некоторым запозданием. Александр Холево работает над той частью теории информации, что касается квантовых вычислений, чрезвычайно давно. В 1973 году, всего 30 лет от роду, он доказал широко известную теорему Холево. Теорема устанавливает верхний предел на количество информации, которое может быть извлечено из квантовых состояний. Ее выводы и сейчас, несколько десятилетий спустя, выглядят довольно неожиданными.

Из теоремы Холево следует, что емкость квантовых каналов, называемая ныне верхняя граница Холево, может быть строго больше, чем классическая информация Шеннона. После доказательства в 1996 году теоремы кодирования (независимо Холево и Шумахером с Вестморлендом) появился новый вопрос: не будет ли пропускная способность квантовых каналов, вычисляемая в предположении параллельного использования асимптотически большого количества одинаковых каналов, совпадать с верхней границей Холево для одного канала? Иными словами, будет ли давать выигрыш при кодировании использование сцепленных состояний? Вопрос этот получил название гипотезы аддитивности. Как в дальнейшем выяснилось, квантовый канал может как обладать, так и не обладать свойством аддитивности.

В частности, при выполнении свойства аддитивности получается, что хотя квантовый бит (кубит) теоретически может переносить больше информации, чем обычный бит, но извлечь из него можно не больше, чем из обычного классического бита. Это довольно необычный, на первый взгляд, вывод. Дело в том, что квантовый бит, в отличии от обычного, может быть равен не только «1» или «0», но и одновременно иметь целый ряд значений между «0» и «1». В квантовой механике про такую ситуацию говорят, что в кубите наблюдается суперпозиция состояний. Поэтому его полное состояние как объекта можно описать парой комплексных чисел, сумма квадратов которых равна единице. Благодаря этим параметрам кубита квантовые компьютеры в настоящее время оцениваются как прорывное направление научных исследований, потенциально способное революционизировать вычисления в ряде областей.

Профессор Александр Львовский, руководитель научной группы Российского квантового центра, отмечает: «Это кажется удивительным, потому что известно, что квантовые компьютеры гораздо мощнее классических. Теорема Холево показывает, что квантовый компьютер и его преимущества — дело крайне тонкое. Нельзя воспринимать квантовый компьютер просто как более мощный классический».

Следует признать, что в 1970-х при всей научной значимости теоремы, которую Львовский называет «основополагающей для всей теории квантовой информации и квантовых линий связи», ожидать широкого признания за ее разработку было довольно трудно. Дело в том, что даже экспериментальных квантовых линий связи в это время просто не было, из-за чего открытие, сделанное «на кончике пера», было практически невозможно оценить по достоинству. Сама идея квантовых вычислений как таковых была предложена лишь в 1980 году советским математиком Юрием Маниным — прототипом Вечеровского из «За миллиард лет до конца света» братьев Стругацких. Соответственно, значимость теоремы в тот момент была вовсе не так очевидна, как сегодня, когда уже построены первые квантовые компьютеры и квантовые линии связи отрабатываются в десятках научных центров по всему миру.

Пользуясь несколько вольной аналогией, можно сказать, что практическая значимость формулы Циолковского до запуска первых космических ракет была неочевидна сходным образом. Профессор Львовский описывает ситуацию так: «Большое видится на расстоянии, а для оценки такого колоссального достижения, как теорема Холево, потребовалось почти полвека... Результаты Холево упоминаются в статьях и на конференциях весьма часто и в самых разных контекстах квантовой информатики. Он — один из столпов этой науки и один из немногих ныне активных российских ученых, пользующихся в мире такой репутацией».

И в то же время отнести нынешнюю награду лишь на счет этой основополагающей теоремы не получится. Во-первых, строго говоря, после ее формулирования ученый получил ряд наград, таких как премия в области квантовой коммуникации (Quantum Communication Award, 1996 год) и премия Маркова (1997 год). Иными словами, его заслуги в своей области были признаны как в нашей стране, так и за рубежом. Во-вторых, уже после получения этих наград ему удалось добиться новых результатов фундаментального значения. Сравнительно недавно Александром Холево в соавторстве с Витторио Джованетти (Vittorio Giovannetti) и Раулем Гарсиа-Патроном (Raúl García-Patrón) была решена чрезвычайно значимая проблема гауссовских максимизаторов. Их работы затрагивают вопрос о том, каковы потенциальные ограничения, накладываемые квантовыми эффектами на пропускную способность линий оптоволоконной связи. Предложенное учеными решение дает ответ на вопрос, почему оптимальным для передачи информации по бозонным квантовым каналам являются именно гауссовские состояния.

Доктор физико-математических наук Александр Печень констатирует: «Это фундаментальное достижение было признано настоящим прорывом. Бесспорно, оно не могло не повлиять на решение Комитета Общества теории информации о вручении премии Шеннона российскому ученому». Как подчеркивает Александр Печень, «Quantum Communication Award — очень престижная награда, но в области именно квантовой информации, в то время как премия Шеннона — по всей теории информации, что значительно более значимо». Ее вручение, таким образом, означает и намного более широкое признание заслуг ученого.

Активная научная деятельность Александра Холево продолжается, и список из 170 его научных публикаций в ближайшее время может существенно пополниться. Быть может, нечто подобное случится и со списком его научных наград.

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:01 27 марта 2017
Замороженная стволовая клетка человека

Внутренние бомбы

Как клеточный суицид помогает против рака и старости
Два года для развода
Сколько времени понадобится Британии, чтобы выйти из ЕС
FILE - In this Saturday, June 4, 2011 file photo made by Associated Press photographer Anja Niedringhaus, injured U.S.Marine Cpl. Burness Britt reacts after being lifted onto a medevac helicopter from the U.S. Army's Task Force Lift "Dust Off," Charlie Company 1-214 Aviation Regiment. Location:
Sangin, AfghanistanПадение Сангинграда
Десятилетнее сражение за столицу наркоторговли завершилось победой «Талибана»
Больно, но полезно
Китай готовится к реформе госкорпораций, чреватой социальным взрывом
Participants attend a gay pride parade in central Istanbul June 30, 2013. Tens of thousands of anti-government protesters teamed up with a planned gay pride march in Istanbul. Crowds were stopped by riot police from entering Taksim, the centre of previous protests, but the atmosphere appeared peacefulОпасное интернет-проникновение
Грозит ли подъем геев-мусульман исламскому миру
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество
Фарту масти
Как простые русские парни становятся легендами киберспорта
Замороженная стволовая клетка человека Внутренние бомбы
Как клеточный суицид помогает против рака и старости
Красный — новый черный
Зачем люди скупают допотопные компьютеры и свитеры Apple
Первый тест премиального «корейца» Genesis
Смог ли обновленный Genesis G80 догнать «немецкую тройку»? Спойлер: нет
Тест: когда появились «поворотники» и ночное видение?
Непроходимый тест на знание истории… автомобиля!
Место, где живут мозги
Как выглядят штаб-квартиры известнейших автомобильных компаний
Невспаханная «Нива»
12 модификаций легендарного внедорожника, о которых вы не знали
Талант расправил плечи
Лучшие архитектурные проекты 2017 года: от города в пустыне до термальных ванн
Адская машина
Ученые и урбанисты придумали, что делать с заполонившими города автомобилями
«Если у тебя нет любовника, квартире взяться неоткуда»
Исповедь россиянки, ставшей ипотечницей в 20 лет
Тариф «Хватит»
За услуги ЖКХ можно платить в разы меньше