Основы применения квантовых сквозных ИТ в робототехнике и интеллектуальном когнитивном управлении: стохастическая механика, квантовая информационная физика и информационная геометрия
Автор: Зрелов Петр Валентинович, Кореньков Владимир Васильевич, Тятюшкина Ольга Юрьевна, Ульянов Сергей Викторович
Журнал: Сетевое научное издание «Системный анализ в науке и образовании» @journal-sanse
Статья в выпуске: 2, 2021 года.
Бесплатный доступ
Физическая платформа (в общем виде квантовой релятивистской механики и квантовой релятивистской термодинамики), стала основой развития нового поколения квантовых сквозных информационных технологий (КСИТ), что привело, в свою очередь, к развитию квантовой инженерии (квантового компьютера), квантовой теории информации, квантовой программной инженерии, квантовых вычислений, квантовой криптографии, квантовых алгоритмов и квантового программирования. Более того, природа и сущность самого понятия «информация» стали рассматриваться как физический объект. Это позволило установить механизм и возможности совершать полезную работу, не нарушая второго закона термодинамики за счет корректных информационных моделей самого второго закона. Сегодня практически отсутствуют необходимые стандартные курсы по физике, аналитической механике и термодинамике (включая квантовые модели) для ИТ-специалистов, при этом обоснованием часто служил тезис Черча-Тьюринга об алгоритмической основе информации и универсальности вычислительной машины Тьюринга. Ситуация резко изменилась с приходом КСИТ и сам тезис Черча-Тьюринга подвергся существенному пересмотру. В данной статье приведены минимально необходимые сведения из указанных областей для освоения и перехода на КСИТ.
Квантовые сквозные информационные технологии, квантовое управление, квантовые вычислений, физические модели
Короткий адрес: https://sciup.org/14123335
IDR: 14123335 | УДК: 512.6,
Background of quantum end-to-end IT application in robotics and intelligent cognitive control: stochastic mechanics, quantum information physics and information geometry
The physical platform (in the general form of quantum relativistic mechanics and quantum relativ-istic thermodynamics) became the basis for the development of a new generation of quantum end-to-end information technologies (CSIT), which in turn led to the development of the foundations of quan-tum engineering (quantum computer), quantum information theory, quantum software engineering, quantum computing, quantum cryptography, quantum algorithms and quantum programming. More-over, the nature and essence of the very concept of "information" began to be considered as a physi-cal object. This made it possible to establish a mechanism and opportunities to perform useful work without violating the second law of thermodynamics due to correct information models of the second law itself. Today the necessary standard courses in physics, analytical mechanics and thermodynam-ics (including quantum models) for IT specialists are practically absent, herewith the Church-Turing thesis about the algorithmic basis of information and the universality of the Turing computing machine often served as a justification. The situation changed dramatically with the arrival of CSIT and the Church-Turing thesis itself underwent a significant revision. This article provides the minimum neces-sary information from these areas for the development and transition to CSIT.
Список литературы Основы применения квантовых сквозных ИТ в робототехнике и интеллектуальном когнитивном управлении: стохастическая механика, квантовая информационная физика и информационная геометрия
- 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. — 2012. — № 1. — URL : http://sanse.ru/download/115.
- 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, № 4. — Pp. 1–21.
- Balseiro P., Marrero J. C., de Diego D. M., Padron E. A unified framework for mechanics: Hamilton-Jacobi equation and applications // arXiv: 1001.0482v1 [math-ph] 2010.
- Benseny1 A., G. et al. Applied Bohmian mechanics // arXiv:1406.3151v1 [quant-ph] 12 Jun 2014.
- Ulyanov S. V., Arai F., Feng M., Fukuda T. Stochastic analysis of time-invariant non-linear dynamic systems. Pts 1 and 2 // 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 уравнения Гамильтона-Якоби // Системный анализ в науке и образовании. — 2012. — № 1. — URL : http://sanse.ru/download/114.
- 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.
- Qiao B. et al. Kinetic equations for quantum information // 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, № 9. — Pp. 493. — DOI : 10.3390/e19090493.
- Berta M. et al. Rényi generalizations of the conditional quantum mutual information // J. of Mathemati-cal Physics. 2015. — Vol. 56, № 2. — Pp. 022205. — DOI : https://doi.org/10.1063/1.4908102.
- Muller-Lennert M. et al. On quantum Renyi entropies: a new generalization and some properties // arXiv:1306.3142v4 [quant-ph] 27 Jan 2014.
- Dupuis F., Wilde M.M. Swiveled Renyi entropies // arXiv:1506.00981v4 [quant-ph] 18 Feb 2016.
- Ciaglia M.M. et al. A Pedagogical Intrinsic Approach to Relative Entropies as Potential Functions of Quantum Metrics: the q - z Family // arXiv:1711.09769v1 [quant-ph] 27 Nov 2017.
- Rodriguez M.A. Romaniega Á., Tempesta P. A new class of entropic information measures, formal group theory and information geometry// arXiv:1807.01581v1 [math-ph] 4 Jul 2018.
- Cheng H-C. et al. Properties of Noncommutative Renyi and Augustin Information // 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, № 2. — Pp. 97–107.
- Jarzyna M., Kołodynski J. Geometric Approach to Quantum Statistical Inference // IEEE J. on Selected Areas in Information THEORY, Vol. 1,№ 2, AUGUST 2020. — 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 Glansdoff-Prigogine criteri-on 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 responsible for quantum state transformation and the flow and backflow of information // SCIENTIFIC REPORTS, 2019, 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.
- Zhang K., Wang X., Zeng Q. et al. Conditional Entropy Production and Quantum Fluctuation Theorem of Dissipative Information // 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, № 1. — Pp. 015015. — DOI : https://doi.org/10.1088/2399-6528/aafe1b.
- Bera M. L. et al. Quantum Heat Engines with Carnot Efficiency at Maximum Power // arXiv:2106.01193v1 [quant-ph] 2 Jun 2021.
- Zhen Y. et al. Universal bound on energy cost of bit reset in finite time // arXiv:2106.00580v1 [quantph] 1 Jun 2021.
- Sagawa T., Ueda M. Minimal Energy Cost for Thermodynamic Information Processing: Measurement and Information Erasure // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 102, № 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, № 4. — Pp. 042119.
- Sieniutycz S., et all. Framework for optimal control in multistage energy systems // Physics Reports. – 2000. — Vol. 326, № 2.
- Ulyanov S.V. Quantum Algorithm of Imperfect KB Self-organization Pt I: Smart Control - Information- Thermodynamic Bounds // Artificial Intelligence Advances. — 2021. — Vol. 3, № 2.
- Sagawa T. Thermodynamic and logical reversibilities revisited // arXiv: 131П2.1886v1 [cond- mat.statmech] 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.
- Audenaert K.M.R., Datta N. − z -Renyi relative entropies // Preprint. — 2018.
- Carlen E.A. Frank R. L., Lieb E. H. Inequalities for quantum divergences and the Audenaert-Datta conjecture // 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, № 2. — Pp. 347. — 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, № 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.
- Rodriguez M.A. et al. A new class of entropic information measures, formal group theory and information geometry // 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, № 1. — Pp. 18–43.
- Brandão F., et al. The second laws of quantum thermodynamics // PNAS. — 2015. — Vol. 112, № 11. — Pp. 3275–3279. — DOI : doi/10.1073/pnas.1411728112.
- Gómez A. Complexity and time // Phys. Rev. D. — 2020. — Vol. 101, № 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., № 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 correla-tions 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., № 101. — Pp. 065016.
- Funo K., Watanabe Yu., Ueda M. Thermodynamic work gain from entanglement // Phys. Rev. — 2013. — Vol. A88, № 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. 69. 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.
- Belenchia A. et al. Informational steady-states and conditional entropy production in continuously monitored systems: the case of Gaussian systems // arXiv:2105.12518v1 [quant-ph] 26 May 2021.
- Ulyanov S.V. Intelligent self-organized robust control design based on quantum/soft computing tech-nologies and Kansei Engineering // Computer Science J. of Moldova. – 2013. – Vol. 21, № 2(62) 242. — Pp. 279—291.
- Ulyanov S.V. Self-organizing quantum robust control methods and systems for situations with uncer-tainty and risk. — Patent US 8788450 B2, 2014.
- Ulyanov S. V. Self-organized robust intelligent control. Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publish-ing, 2015. — 412 p.
- Ulyanov S.V. Quantum relativistic informatics. LAP LAMBERT Academic Publishing, OmniScriptum GmbH & Co. KG, 2015.
- Doronina I. et al. Multiple quantum NMR in solids as a method of determination of Wigner–Yanase skew information // arXiv:2106.01017v1 [quant-ph] 2 Jun 2021.
