Proč by se kvantová fyzika měla bát
"Pokud tě kvantová fyzika neděsí, pak jí nerozumíš,"
Na konci 20. století si mnoho výzkumníků uvědomilo, že pomocí kvantové fyziky lze vytvořit nový typ počítače.Dá se říci, že vědci, kteří se zabývají problematikou kvantové výpočetní techniky, připravují teoretické základy pro teleportaci, cestování v čase nebo pro paralelní světy.
V souvislosti s klasickým výpočtem existuje něco jako 1 bit - jedná se o jednotku reprezentace nebo ukládání informací.Podobně jako u klasického bitu lze definovatkvantový bit, což je jednotka kvantové informace. Jeden klasický bit může v kterémkoli okamžiku uložit jeden ze dvou stavů: buď nulu, nebo jedničku. Z fyzikálního hlediska se jedná o přítomnost nebo nepřítomnost elektrického signálu. Stejně jako v klasickém případě, i v kvantovém případě existují stavy - 0 a 1. Ale na rozdíl od klasických výpočtů může 1 qubit uložit superpozici těchto stavů. To znamená, že stav kvantového bitu je obecně určen dvěma charakteristikami nebo dvěma parametry. První parametr je zodpovědný za pravděpodobnost nulového stavu a druhý je zodpovědný za pravděpodobnost prvního stavu. Kvantový bit je v některých ohledech pravděpodobnostní stav, ale lze z něj extrahovat klasickou informaci. K tomu slouží speciální operace zvaná měření.
thecode.media
Základní stavy v kvantovém případě nejsou jedinými možnými stavy.Existuje také stav, například plus nebo mínus, a je třeba poznamenat, že základní stav závisí na fyzické implementaci kvantového bitu.
Kvantové výpočty a jak se liší od klasických výpočtů
Jakékoli klasické výpočty jsou založeny na některých klasických transformacích.To znamená, že to jsou některé akce, které můžemeprovádět s klasickým vzhledem. Například operátor NOT převrací hodnotu klasického bitu. To znamená, že pokud dostaneme 0 na vstupu, pak dostaneme 1 na výstupu a naopak. Pro práci s kvantovým bitem se používají kvantové transformace. Existuje jeden rozdíl, který odděluje kvantové transformace od klasických. Kvantové transformace jsou reverzibilní. Působení kteréhokoli z nich lze zvrátit pomocí nějaké jiné kvantové transformace. A na rozdíl od klasických výpočtů lze pro kvantové výpočty definovat další operaci zvanou „měření“. Touto transformací můžeme extrahovat klasickou informaci z kvantového bitu.
miro.medium.com
Činnost kvantového počítače lze určit pomocí kvantového obvodu.Pokud se klasický obvod skládá z klasických transformací, pak se kvantový obvod skládá z kvantových.
Kvantové výpočty jsou na rozdíl od klasických výpočtů mladá věda, ale již existují zajímavé příklady jejich použití.Například oblast, jako je kryptografie -ochrana informací, optimalizační problémy jsou dobře vyřešeny pomocí kvantových počítačů. Vytvořením skutečného kvantového počítače srovnatelného s klasickými počítači budeme schopni řešit některé problémy rychleji než klasické počítače.
Myšlenkou ultrahustého kódování je přenos dvou klasických bitů pomocí jednoho kvantového bitu.Proč se toto kódování nazývásuper hustý? Vzpomeňme na černou díru - to je druh fyzického těla, jehož celá hmota se zhroutí do jednoho bodu singularity. V kvantovém případě je však vše mnohem prozaičtější, bavíme se o kompresi dat, a to ani ne tak působivé – pouhém přenosu dvou klasických bitů pomocí jednoho qubitu.
Říká se, že dva qubity jsou zapletené, pokud měřením nebo extrakcí klasické informace z prvního qubitu můžeme přesně určit stav druhého qubitu.Jednoduchý příklad:Řekněme, že tam jsou bratr a sestra Bob a Alice. Každý den k snídani nebo obědu jim maminka připraví nádobu s jídlem. Buď si dá salát nebo sýrový sendvič. Navíc ani Alice ani Bob neznají obsah nádoby, když jdou do školy. A teprve když přijdou do školy, otevřou své nádoby: Alice vidí salát a už přesně ví, co je v Bobově nádobě. Dalším zajímavějším příkladem je pár ponožek. Řekněme, že se ráno probudíte a chcete si nazout ponožky, když si jednu z ponožek navléknete na pravou nohu, s jistotou poznáte, že druhá ponožka patří vaší levé noze nebo to bude levá ponožka. Ultra-husté kódování je založeno na fenoménu zapletení.
Teleportace je fyzický pohyb předmětů z jednoho místa na druhé v krátkém časovém období.Tento jev je vynalezen v kvantových počítačích,a v kvantové fyzice je to experimentálně prokázáno. V tomto případě však nepohybujeme celým fyzickým tělem, ale pouze stavem jednoho qubitu. Lze poznamenat, že hmota je již malá, nyní se musíte naučit, jak rozdělit fyzická těla na elementární částice, a poté, po přenosu pomocí kvantového komunikačního kanálu, z nich fyzická těla opět složit. Tento fenomén je také založen na fenoménu zapletení.
"Řekněme, že existuje sovětský špión…"
Dalším příkladem je protokol BB84, který patří do oblasti kryptografie.Předpokládejme, že máme jistého sovětského špióna,jehož účelem je výměna informací s generálním štábem. Existuje několik možností, jak tento problém vyřešit. Jednou z možností je použít klíč, který může špión použít k zašifrování zprávy a přijímající strana k jejímu dešifrování. Problémy jsou dva: jak daný klíč získat, aby ho nikdo nemohl zfalšovat, a za druhé, jak vyměnit klíč tak, aby ho nikdo nemohl zachytit. Protokol BB84 tento problém řeší.
Na začátku má špión nějaký generátor náhodných bitů a používá jej ke generování náhodných bitů.Používá se jako kvantový bitjednotlivé fotony. S jejich pomocí zašifruje nebo uloží klasickou informaci do jediného fotonu, říkejme tomu rovnou qubit. V tomto případě lze při zápisu klasického bitu do qubitu použít dva typy bází. Jako báze se používají různé polarizace jednoho fotonu. Pro zjednodušení akce říkejme těmto základům bílý a žlutý základ. Co to znamená: Pomocí bílé a žluté můžeme zašifrovat jak hodnotu 0, tak hodnotu 1. Pokud použijeme žlutou bázi, pak je polarizace fotonu diagonální a uloží hodnotu 0; pokud na vstupu přijmeme 1, tak se použije antidiagonální polarizace, a tedy s její pomocí přeneseme 1. Pokud se použije bílý základ, tak se stav 0 přenese pomocí horizontální polarizace a 1 s pomocí Tyto základny si špión volí libovolně: ani on, ani nikdo jiný neví, kterou si vybere. Vzniklé fotony s určitou polarizací jsou přenášeny do generální centrály, která má také tyto báze: s jejich pomocí se tam měří výsledný kvantový bit. Generální štáb neví, které základny sovětský špion používal, proto náhodně vybírá tyto základny. Ale z hlediska teorie pravděpodobnosti v polovině případů tyto základy uhodnou. A proto se asi v polovině případů budou použité báze - a přijímané a vysílané klasické bity - shodovat. Dále generální štáb přenáší základny, které používal, a špión zase hlásí, na kterých pozicích k zápasu došlo. Řetězec, který byl získán ze stlačených stavů, se stává klíčem. To znamená, že pokud špión pošle 1000 bitů klasické informace, tak nakonec bude mít klíč asi 500 znaků, tedy 500 bitů.
Existuje třetí osoba, fiktivní Muller, jehož cílem je odposlouchávat proces výměny klíčů.Jak to dělá?Předpokládejme, že zná také všechny základny, které používá špion a generální štáb. Dostane se do středu a začne přijímat jednotlivé qubity se svými základnami. Ani on neví, jaké základny použil sovětský špion, a svévolně si volí mezi žlutou a bílou základnou. V 50% případů uhodne. V důsledku toho 50% qubits opustí ve stejném stavu, v jakém byly přijaty. Asi 50% však odejde ve změněném stavu. Výsledkem je, že při přijímání těchto qubits dostane generální štáb přesně ty státy, které byly vyslány pouze ve čtvrtině případů, v zásadě to bude signál, že je někdo odposlouchává. Pokud je nikdo zaslechl, pak by se 50% jejich klíčů shodovalo. Pokud však na ně někdo naskočí, pouze ve čtvrtině času se klíče shodují. Prvním problémem, který jsme s vámi vyjádřili, je tedy to, jak přesně vygenerovat klíč, aby nikdo takto neslyšel odposlechy. Jakmile zjistí, že je někdo odposlouchává, mohou změnit komunikační kanál. To znamená zvolit jiný kvantový kanál. Druhý problém: jak přesně vyměnit klíč, aby nikdo nemohl zachytit, je v tomto případě vyřešen sám, protože v tomto případě neexistuje žádný problém s výměnou klíče.
Kdy se objeví skutečné kvantové počítače?
V tuto chvíli kvantové počítače již existují a jsou dokonce prakticky průmyslově využívány.Ve skutečnosti se jedná o počítače, které nějakým způsobemnejmenší využití kvantových efektů. Tyto počítače řeší omezený okruh problémů a používají se hlavně k řešení některých optimalizačních problémů. Například společnost d-wave je jedním z vývojářů téměř kvantových počítačů. Mezi klienty této společnosti jsou takoví giganti jako Google, několik automobilek také používá téměř kvantové počítače.
K dnešnímu dni je již známo několik vývojů, které se provádějí při vytváření skutečných kvantových počítačů.Doslova před rokem byl vyvinutexperimentální model kvantového počítače, který pracuje se dvěma qubity. Tyto kvantové počítače také nejsou vhodné pro řešení skutečných problémů, ale je důležité si uvědomit, že jejich práce dobře demonstruje fungování principů, na kterých jsou kvantové počítače teoreticky založeny.
V roce 2019 byl představen kvantový počítač, který se skládá a pracuje s 20 qubits.Tento počítač slouží čistě prodemonstrovat, že principy kvantových počítačů fungují. To lze porovnat například se dvěma megabajty paměti RAM v moderním světě, to znamená, že to v zásadě není nic.
Nyní existují hypotézy, že kvantové provázání a fenomén červích děr jsou jeden a tentýž jev.Navíc jsou založeny samotné červí díryna takový jev, jako je kvantové zapletení. To naznačuje, že v budoucnu bude možné vytvořit červí díry již uměle. To znamená vzájemné zapletení některých kvantových bitů.
Jak měřit kvantový bit
Existují tři pohledy na měření kvantového bitu.První pohled je kodaňská teorie,klasický pohled na proces měření. Říká, že pomocí měření my, přijímající určitý klasický výsledek, ovlivňujeme měřený qubit. Vezmeme-li to v kontextu elektronu, pak je měření elektronu představováno ve formě určité vlny - to znamená, že jde o určitou vlnovou funkci. Měření však vede k tomu, že se daná vlnová funkce zhroutí a my už máme co do činění s částicou. Je důležité zmínit Heisenbergovu nejistotu, která říká: že nemůžeme vědět současně o vlnové funkci a umístění elektronu. To znamená, že když změříme elektron, ztratíme vlastnosti vlnové funkce. Naopak, když známe charakteristiky vlnové funkce, nemůžeme určit umístění elektronu.
Druhým pohledem je teorie Davida Bohma, která říká, že prostě nemáme všechny informace o systému, ale ve skutečnosti jak před měřením, tak po měření vlnová funkce nikde nezmizí.Jsou tam prostě nějaké skryté parametry, které mámenevíme. A když známe tyto další charakteristiky, můžeme určit jak přesné umístění elektronu, tak charakteristiky vlnových funkcí. Dá se to přirovnat k házení obyčejné mince. Pokud to vezmeme z klasického hlediska, je hod mincí považován za náhodný proces, to znamená, že výsledek nelze předvídat. Z hlediska fyziky však můžeme s vědomím některých dalších charakteristik přesně určit, na kterou stranu mince padne. Například počáteční síla nárazu nebo síla odporu vzduchu a tak dále.
A třetí způsob, jak nahlížet na proces měření, je teorie více světů.Tuto teorii vyjádřil Hugh Everett.Říká se, že při měření dochází k jakémusi rozdělení fyzického světa. A hypostáza, kterou pozorujeme, umístění elektronu, je skutečná pouze v našem světě. Souběžně s tím vznikají další světy, ve kterých je skutečná další hypostáza elektronu. Při vývoji Everettovy teorie jeden z tvůrců kvantové výpočetní techniky kdysi řekl, že samotný vesmír je tedy jakýmsi kvantovým počítačem a provádí výpočty.
Důvodem pro vznik postkvantové kryptografie byl teoretický kvantový algoritmus, který umožňuje prolomit stávající šifrovací systémy.Jeden z nich je základem bezpečnosti mnohaInternetové bankovnictví, stejně jako základ pro šifrování webových stránek. Předpokládejme, že existuje sovětský špión, jehož cílem je předávat informace generálnímu štábu, a existuje třetí strana, která to všechno může odposlouchávat. Dříve jsme se zabývali šifrováním pomocí jediného klíče, ale v tomto konkrétním případě je navržena jiná metoda. Existuje protokol RSA, jehož účel je následující: jsou generovány dva klíče - veřejný klíč a soukromý; Soukromý klíč slouží k dešifrování přijaté zprávy a veřejný klíč k jejímu zašifrování. Tento protokol umožňuje implementovat tento algoritmus, tj. vytvářet veřejné a soukromé klíče.
Na konci 20. století navrhl Peter Shor nový algoritmus, který by prolomil základ algoritmu RSA.Tento algoritmus je zcela kvantový aproto vznik skutečně fungujícího kvantového počítače umožní hacknout moderní bezpečnostní systémy. V důsledku toho se objevila nová věda, která se zabývá novými algoritmy, aby byly šifrovací metody odolné proti prolomení kvantovým počítačem.
Viz také:
Byla vytvořena první přesná mapa světa. Co se děje s ostatními?
Změna klimatu posunula osu Země
NASA řekla, jak budou dodávat vzorky Marsu na Zemi