Физические основы квантовых сквозных ИТ в индустрии 5.0 / 6.0 и интеллектуальном когнитивном управлении: стохастическая механика, информационная геометрия, квантовая информационная физика / термодинамика
Автор: Зрелова Дарья Петровна, Тятюшкина Ольга Юрьевна, Ульянов Сергей Викторович
Журнал: Сетевое научное издание «Системный анализ в науке и образовании» @journal-sanse
Рубрика: Современные проблемы информатики и управления
Статья в выпуске: 1, 2023 года.
Бесплатный доступ
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.
Индустрия 5.0 / 6.0, квантовые сквозные информационные технологии, квантовое управление, квантовые процессы, описание и физическая интерпретация
Короткий адрес: https://sciup.org/14128093
IDR: 14128093 | УДК: 512.6,
Background of quantum end-to-end IT application in industry 5.0 / 6.0 and intelligent cognitive control: stochastic mechanics, information geometry, quantum information physics / thermodynamics
The introduction of the concept of a universal Turing machine was the basis for the axiomatics of information processing, and the concept of "information" itself was introduced as an algorithmic definition of a data carrier. The syntax of algorithmic representation of information processes has become the basis for data collection, processing and presentation systems for the decision-making. However, the transition of educational processes in IT from classical to quantum concepts has faced a number of methodological difficulties, one of which is mastering the physical concepts of quantum mechanics, quantum information theory and quantum thermodynamics. Relativistic mechanics with representations of space-time metrics and interpretation of relativistic effects in quantum information theory only increased the difficulties of mastering and practical implementation of Industry 5.0 / 6.0 projects. As a result, the gap between the training of new generation IT specialists was significantly prolonged and it was necessary to significantly revise the education process itself. The article presents the experience of presenting the basics of the description and physical interpretation of quantum processes for IT specialists, developers of control systems and robotics, based on the concepts of classical stochastic mechanics and the theory of random processes, introducing additional concepts and their formalized representations, which follow from the accepted classical form, as necessary.
Список литературы Физические основы квантовых сквозных ИТ в индустрии 5.0 / 6.0 и интеллектуальном когнитивном управлении: стохастическая механика, информационная геометрия, квантовая информационная физика / термодинамика
- Френкель Я. И. Курс теоретической механики на основе векторного и тензорного анализа. – М. – Л.: ГТТИ. – 1940.
- Ульянов С. В., Шоланов К. С. Релятивистская инерциальная навигация и интеллектуальное управление КЛА в римановых метрических пространствах при случайных возмущениях. 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 нано-технологиях. Ч. 1: Квантовый постулат на основе характеристик обобщенного уравнения 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 квантовой 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 релятивистскими 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 хаотическая 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 Math-ematical 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 Metrics: 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 / Ro-driguez 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 Se-lected Areas in Information Theory. – 2020. – Vol. 1. – No. 2. – pp. 367-385.
- Kim E. Investigating Information Geometry in Classical and Quantum Systems through Information Length // Entropy. – 2018. – Vol. 20. – pp. 574. – DOI:10.3390/e20080574.
- Ito S. Thermodynamics of information geometry as a generalization of the Glansdorff-Prigogine cri-terion 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 responsi-ble for quantum state transformation and the flow and backflow of information // SCIENTIFIC RE-PORTS. – 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 quantum 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: Measurement 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 interpretations // 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 Reports. – 2000. – Vol. 326. – No 2.
- Ulyanov S. V. Quantum Algorithm of Imperfect KB Self-organization Pt I: Smart Control - Information- Thermodynamic Bounds // Artificial Intelligence Advances. – 2021. – Vol. 3. – No 2.
- Sagawa T. Thermodynamic and logical reversibilities revisited. – arXiv: 131П2.1886v1 [condmat. 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. z -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 Applications 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 Functionals 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 Geometry / 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 Control // 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 infor-mation. – 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 production . –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 cor-relations 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 information-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 systems: 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 un-certainty and risk. – Patent US 8788450 B2, 2014.
- Ulyanov S. V. Self-organized robust intelligent control. Saarbrücken: LAP Lambert Academic Pub-lishing. –2015. – 412 p.
- Ulyanov S. V. Quantum relativistic informatics. LAP LAMBERT Academic Publishing, OmniScrip-tum GmbH & Co. KG, 2015.
- Multiple quantum NMR in solids as a method / Doronina I. et al. // of determination of Wigner–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.
