Hvorfor kvantefysik skal frygte
"Hvis kvantefysikken ikke skræmmer dig, så forstår du det ikke,"
I slutningen af det 20. århundrede indså mange forskere, at kvantefysik kunne bruges til at skabe en ny type computer.Vi kan sige, at forskere, der beskæftiger sig med kvanteberegning, forbereder et teoretisk grundlag for teleporteringer, tidsrejser eller til parallelle verdener.
I forbindelse med klassisk computing er der sådan en ting som 1 bit - dette er en repræsentationsenhed eller lagring af information.I lighed med den klassiske bit kan man definerekvantebit, som er en enhed af kvanteinformation. En klassisk bit kan lagre en af to tilstande til enhver tid: enten nul eller én. Fra et fysisk synspunkt er dette tilstedeværelsen eller fraværet af et elektrisk signal. Som i det klassiske tilfælde er der i kvantetilfældet tilstande - 0 og 1. Men i modsætning til klassiske beregninger kan 1 qubit lagre en superposition af disse tilstande. Det vil sige, at tilstanden af en kvantebit generelt bestemmes af to karakteristika eller to parametre. Den første parameter er ansvarlig for sandsynligheden for nultilstanden, og den anden er ansvarlig for sandsynligheden for den første tilstand. En kvantebit er på nogle måder en sandsynlighedstilstand, men klassisk information kan udvindes fra den. For at gøre dette bruges en speciel operation kaldet måling.
thecode.media
Grundtilstande i kvantesagen er ikke de eneste mulige tilstande.Der er også en tilstand, for eksempel plus eller minus, og det skal bemærkes, at grundtilstanden afhænger af den fysiske implementering af kvantebitten.
Quantum computing og hvordan det adskiller sig fra klassisk computing
Enhver klassisk beregning er baseret på nogle klassiske transformationer.Det vil sige, det er nogle handlinger, som vi kanforetage med et klassisk look. For eksempel inverterer NOT-operatoren værdien af en klassisk bit. Det vil sige, hvis vi får 0 ved input, så får vi 1 ved output, og omvendt. For at arbejde med en kvantebit bruges kvantetransformationer. Der er én forskel, der adskiller kvantetransformationer fra klassiske. Kvantetransformationer er reversible. Virkningen af enhver af dem kan vendes ved hjælp af en anden kvantetransformation. Og i modsætning til klassiske beregninger kan man for kvanteberegninger definere en anden operation kaldet "måling". Med denne transformation kan vi udtrække klassisk information fra en kvantebit.
miro.medium.com
Driften af en kvantecomputer kan bestemmes ved hjælp af henholdsvis et kvantekredsløb.Hvis et klassisk kredsløb består af klassiske transformationer, så består et kvantekredsløb af kvante.
Quantum computing er i modsætning til klassisk computing en ung videnskab, men der er allerede interessante eksempler på deres anvendelse.For eksempel et område som kryptografi -informationsbeskyttelse, er optimeringsproblemer godt løst ved hjælp af kvantecomputere. Ved at skabe en rigtig kvantecomputer, der kan sammenlignes med klassiske computere, vil vi være i stand til at løse nogle problemer hurtigere end klassiske computere.
Ideen med ultra-tæt kodning er at transmittere to klassiske bits ved hjælp af en kvantebit.Hvorfor kaldes denne kodningsuper tæt? Lad os huske et sort hul - dette er en slags fysisk krop, hvis hele massen kollapser til ét singularitetspunkt. Men i kvantetilfældet er alt meget mere prosaisk, vi taler om datakomprimering, og ikke engang så imponerende - blot at overføre to klassiske bits ved hjælp af en qubit.
To qubits siges at være sammenfiltret, hvis vi ved at måle eller udtrække klassisk information fra den første qubit nøjagtigt kan bestemme tilstanden af den anden qubit.Simpelt eksempel:Lad os sige, at der er bror og søster Bob og Alice. Hver dag til morgenmad eller frokost laver deres mor en beholder med mad til dem. Hun lægger enten en salat eller en ostesandwich på. Desuden kender hverken Alice eller Bob indholdet af beholderen, når de går i skole. Og først når de kommer i skole, åbner de deres beholdere: Alice ser salaten og ved allerede præcis, hvad der er i Bobs beholder. Et andet mere interessant eksempel er et par sokker. Lad os sige, at du vågner om morgenen og vil tage sokker på, ved at sætte en af sokkerne på din højre fod, vil du med sikkerhed vide, at den anden sok tilhører din venstre fod eller vil være den venstre sok. Ultra-tæt kodning er baseret på fænomenet entanglement.
Teleportering er den fysiske bevægelse af genstande fra et sted til et andet på kort tid.Dette fænomen er opfundet i kvantecomputere,og i kvantefysikken er det eksperimentelt demonstreret. Men i dette tilfælde flytter vi ikke hele den fysiske krop, men kun tilstanden af en qubit. Det kan bemærkes, at sagen allerede er lille; nu skal du lære at opdele fysiske kroppe i elementære partikler, og derefter, efter transmission ved hjælp af en kvantekommunikationskanal, sætte fysiske kroppe sammen igen fra dem. Dette fænomen er også baseret på fænomenet sammenfiltring.
"Lad os sige, at der er en sovjetisk spion…"
Det næste eksempel er BB84-protokollen, der hører til kryptografifeltet.Antag, at vi har en vis sovjetisk spion,hvis formål er at udveksle oplysninger med det almindelige personale. Der er flere muligheder for at løse dette problem. En mulighed er at bruge en nøgle, som spionen kan bruge til at kryptere beskeden og den modtagende part til at dekryptere den. Der er to problemer: hvordan man får en given nøgle, så ingen kan forfalske den, og for det andet, hvordan man udveksler nøglen på en sådan måde, at ingen kan opsnappe den. BB84-protokollen løser dette problem.
I begyndelsen har spionen en slags tilfældig bitgenerator og bruger den til at generere tilfældige bits.Den bruges som en kvantebitenkelte fotoner. Med deres hjælp krypterer eller gemmer han klassisk information i en enkelt foton, lad os bare kalde det en qubit. I dette tilfælde, når du skriver en klassisk bit til en qubit, kan der bruges to typer baser. Forskellige polariseringer af en enkelt foton bruges som baser. For at forenkle handlingen, lad os kalde disse baser for de hvide og gule baser. Hvad betyder det: Med hvid og gul kan vi kryptere både værdien 0 og værdien 1. Hvis vi bruger en gul basis, så er polariseringen af fotonen diagonal, og den vil lagre værdien 0; hvis vi modtager 1 ved indgangen, bruges antidiagonal polarisering, og derfor sender vi 1 ved hjælp af den. Hvis der bruges en hvid basis, transmitteres tilstanden 0 ved hjælp af horisontal polarisering, og 1 ved hjælp af vertikal polarisering. Spionen vælger disse baser vilkårligt: hverken han eller nogen anden ved, hvilken han vil vælge. De resulterende fotoner med en vis polarisering sendes til det generelle hovedkvarter, som også har disse baser: med deres hjælp måles den resulterende kvantebit der. Generalstaben ved ikke, hvilke baser den sovjetiske spion brugte, derfor vælger de tilfældigt disse baser. Men fra sandsynlighedsteoriens synspunkt vil de i halvdelen af tilfældene gætte disse baser. Og derfor vil i omkring halvdelen af tilfældene de anvendte baser - og de modtagne og transmitterede klassiske bits - falde sammen. Dernæst sender generalstaben de baser, den brugte, og spionen rapporterer til gengæld, i hvilke positioner kampen fandt sted. Den streng, der blev opnået fra de pressede tilstande, bliver nøglen. Det vil sige, at hvis en spion sender 1.000 bits klassisk information, så vil nøglen i sidste ende være omkring 500 tegn eller 500 bits.
Der er en tredje person, den fiktive Muller, hvis mål er at aflytte nøgleudvekslingsprocessen.Hvordan gør han det?Antag, at han også kender alle de baser, der bruges af spionen og generalstaben. Det kommer i midten og begynder at acceptere enkelt qubits med baserne. Også han ved ikke, hvilke baser den sovjetiske spion brugte, og vælger vilkårligt mellem de gule og hvide baser. I 50% af tilfældene vil han gætte. Derfor vil 50% af qubits forlade i den samme tilstand, som de blev modtaget i. Ca. 50% vil dog forlade i en ændret tilstand. Som et resultat, når de modtager disse qubits, modtager generalstaben nøjagtigt de stater, der kun blev sendt i en fjerdedel af tilfældene, i princippet vil dette være et signal om, at nogen aflytter dem. Hvis ingen overhørte dem, ville 50% af deres nøgler matche. Men hvis nogen aflytter dem, er det kun en fjerdedel af tiden, som tasterne stemmer overens. Derfor er det første problem, som vi gav udtryk for med dig, hvordan man nøjagtigt genererer en nøgle, så ingen aflytter bliver løst på denne måde. Så snart de finder ud af, at nogen aflytter dem, kan de ændre kommunikationskanalen. Det vil sige at vælge en anden kvantekanal. Det andet problem: hvordan man nøjagtigt udveksler en nøgle, så ingen kan opfange, i dette tilfælde løses det af sig selv, da der ikke er noget nøgleudvekslingsproblem i dette tilfælde.
Hvornår vises ægte kvantecomputere?
I øjeblikket findes der allerede kvantecomputere og bliver endda praktisk anvendt industrielt.Faktisk er det computere, der på en eller anden mådemindst brug af kvanteeffekter. Disse computere løser en begrænset række problemer og bruges hovedsageligt til at løse nogle optimeringsproblemer. For eksempel er d-wave-virksomheden en af udviklerne af nærmest kvantecomputere. Blandt dette firmas kunder er sådanne giganter som Google; flere bilproducenter bruger også næsten kvantecomputere.
Til dato er der allerede kendt flere udviklinger, der udføres i skabelsen af rigtige kvantecomputere.Bogstaveligt talt for et år siden blev det udvikleteksperimentel model af en kvantecomputer, der arbejder med to qubits. Disse kvantecomputere er heller ikke egnede til at løse reelle problemer, men det er vigtigt at bemærke, at deres arbejde godt demonstrerer driften af de principper, som kvantecomputere teoretisk er baseret på.
I 2019 blev der præsenteret en kvantecomputer bestående af og arbejdet med 20 qubits.Denne computer bruges udelukkende tildemonstrerer, at principperne for kvanteberegning virker. Dette kan sammenlignes med to megabyte, for eksempel RAM i den moderne verden, det vil sige, at det i princippet ikke er noget.
Nu er der hypoteser om, at kvantesammenfiltring og fænomenet ormehuller er et og samme fænomen.Desuden er ormehuller i sig selv baseretpå et sådant fænomen som kvanteindvikling. Dette antyder, at det som en mulighed i fremtiden vil være muligt at skabe ormehuller allerede kunstigt. Det vil sige at vikle nogle kvantebiter med hinanden.
Sådan måles kvantebit
Der er tre synspunkter på måling af en kvantebit.Første kig er Københavns teori,et klassisk billede af måleprocessen. Det siger, at vi ved hjælp af måling, der modtager et bestemt klassisk resultat, påvirker den målte qubit. Hvis vi overvejer i sammenhæng med en elektron, er måling af en elektron repræsenteret i form af en bestemt bølge - det vil sige, det er en bestemt bølgefunktion. Men målingen fører til, at den givne bølgefunktion kollapser, og vi har allerede at gøre med en partikel. Det er vigtigt at nævne Heisenbergs usikkerhed, der siger: at vi ikke kan vide om bølgefunktionen og placeringen af elektronen på samme tid. Det vil sige, hvis vi måler en elektron, mister vi bølgefunktionens egenskaber. Omvendt ved vi kender bølgefunktionens egenskaber kan vi ikke bestemme elektronens placering.
Den anden opfattelse er teorien om David Bohm, der siger, at vi simpelthen ikke har al information om systemet, men i virkeligheden både før måling og efter måling forsvinder bølgefunktionen ikke overalt.Der er simpelthen nogle skjulte parametre, som vivi ved det ikke. Og ved at kende disse yderligere egenskaber kan vi fastslå både den nøjagtige placering af elektronen og karakteristikaene for bølgefunktionerne. Dette kan sammenlignes med at kaste en almindelig mønt. Hvis vi betragter det fra et klassisk synspunkt, betragtes et møntkast som en tilfældig proces, det vil sige, at resultatet ikke kan forudsiges. Men fra et fysiks synspunkt kan vi præcist bestemme, ved at kende nogle yderligere egenskaber, hvilken side mønten vil falde på. For eksempel den indledende kraft af stød eller kraften af luftmodstand, og så videre.
Og en tredje måde at se måleprocessen på er multiple worlds-teorien.Denne teori blev udtrykt af Hugh Everett.Det siger, at når der måles, sker der en slags opdeling af den fysiske verden. Og den hypostase, som vi observerer, placeringen af elektronet, er kun reel i vores verden. Parallelt skabes andre verdener, hvor en anden hypostase af elektronen er reel. Ved at udvikle Everetts teori sagde en af skaberne af kvantecomputering engang, at universet således er en slags kvantecomputer og udfører beregninger.
Årsagen til fremkomsten af post-quantum-kryptografi var en teoretisk kvantealgoritme, der giver dig mulighed for at knække eksisterende krypteringssystemer.En af dem er grundlaget for manges sikkerhedNetbank, samt grundlag for hjemmesidekryptering. Antag, at der er en sovjetisk spion, hvis mål er at overføre information til generalstaben, og der er en tredjepart, der kan aflytte alt dette. Tidligere så vi på kryptering ved hjælp af en enkelt nøgle, men i dette særlige tilfælde foreslås en anden metode. Der er RSA-protokollen, hvis formål er som følger: to nøgler genereres - en offentlig nøgle og en privat nøgle; Den private nøgle bruges til at dekryptere den modtagne besked, og den offentlige nøgle bruges til at kryptere den. Denne protokol giver dig mulighed for at implementere denne algoritme, det vil sige oprette offentlige og private nøgler.
I slutningen af det 20. århundrede blev Peter Shor foreslået en ny algoritme til at bryde kernen i RSA-algoritmen.Denne algoritme er fuldstændig kvante, og,derfor vil fremkomsten af en virkelig fungerende kvantecomputer gøre det muligt at hacke moderne sikkerhedssystemer. Som et resultat er der opstået en ny videnskab, der ser på nye algoritmer til at gøre krypteringsmetoder modstandsdygtige over for revner fra en kvantecomputer.
Se også:
Det første nøjagtige kort over verden blev oprettet. Hvad er der galt med alle andre?
Klimaændringer har forskudt jordaksen
NASA fortalte, hvordan de vil levere prøver af Mars til Jorden