Warum die Quantenphysik Angst haben sollte
„Wenn dir die Quantenphysik keine Angst macht, dann verstehst du sie nicht“
Ende des 20. Jahrhunderts erkannten viele Forscher, dass die Quantenphysik zur Entwicklung eines neuen Computertyps genutzt werden könnte.Wir können sagen, dass Forscher, die sich mit den Fragen des Quantencomputers befassen, eine theoretische Grundlage für Teleportation, Zeitreisen oder Parallelwelten vorbereiten.
Im Kontext des klassischen Rechnens gibt es so etwas wie 1 Bit - dies ist eine Einheit der Darstellung oder Speicherung von Informationen.Ähnlich wie beim klassischen Bit kann man es definierenQuantenbit, eine Einheit der Quanteninformation. Ein klassisches Bit kann zu jedem Zeitpunkt einen von zwei Zuständen speichern: entweder Null oder Eins. Aus physikalischer Sicht ist dies das Vorhandensein oder Fehlen eines elektrischen Signals. Wie im klassischen Fall gibt es auch im Quantenfall Zustände – 0 und 1. Aber im Gegensatz zu klassischen Berechnungen kann 1 Qubit eine Überlagerung dieser Zustände speichern. Das heißt, der Zustand eines Quantenbits wird im Allgemeinen durch zwei Eigenschaften oder zwei Parameter bestimmt. Der erste Parameter ist für die Wahrscheinlichkeit des Nullzustands verantwortlich, der zweite für die Wahrscheinlichkeit des ersten Zustands. Ein Quantenbit ist in gewisser Weise ein probabilistischer Zustand, aus dem jedoch klassische Informationen extrahiert werden können. Dazu wird eine spezielle Operation namens Messung verwendet.
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Basiszustände im Quantenfall sind nicht die einzig möglichen Zustände.Es gibt auch einen Zustand, beispielsweise Plus oder Minus, wobei zu beachten ist, dass der Grundzustand von der physikalischen Umsetzung des Quantenbits abhängt.
Quantencomputer und wie er sich vom klassischen Computing unterscheidet
Alle klassischen Berechnungen basieren auf einigen klassischen Transformationen.Das heißt, das sind einige Maßnahmen, die wir ergreifen könnenunternehmen Sie mit einem klassischen Look. Beispielsweise invertiert der NOT-Operator den Wert eines klassischen Bits. Das heißt, wenn wir am Eingang 0 erhalten, erhalten wir am Ausgang 1 und umgekehrt. Um mit einem Quantenbit zu arbeiten, werden Quantentransformationen verwendet. Es gibt einen Unterschied, der Quantentransformationen von klassischen unterscheidet. Quantentransformationen sind reversibel. Die Wirkung eines jeden von ihnen kann durch eine andere Quantentransformation umgekehrt werden. Und im Gegensatz zu klassischen Berechnungen kann man für Quantenberechnungen eine weitere Operation namens „Messung“ definieren. Mit dieser Transformation können wir klassische Informationen aus einem Quantenbit extrahieren.
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Der Betrieb eines Quantencomputers kann unter Verwendung jeweils einer Quantenschaltung bestimmt werden.Wenn ein klassischer Schaltkreis aus klassischen Transformationen besteht, dann besteht ein Quantenschaltkreis aus Quantentransformationen.
Quantum Computing ist im Gegensatz zur Klassik eine junge Wissenschaft, aber es gibt bereits interessante Beispiele für ihre Anwendung.Beispielsweise ein Bereich wie Kryptographie –Informationsschutz, Optimierungsprobleme werden mit Quantencomputern gut gelöst. Durch die Schaffung eines echten Quantencomputers, der mit klassischen Computern vergleichbar ist, werden wir in der Lage sein, einige Probleme schneller als klassische Computer zu lösen.
Die Idee der ultradichten Codierung besteht darin, zwei klassische Bits mit einem Quantenbit zu übertragen.Warum heißt diese Codierung?super dicht? Erinnern wir uns an ein Schwarzes Loch – das ist eine Art physischer Körper, dessen gesamte Masse in einem Singularitätspunkt zusammenfällt. Im Quantenfall ist jedoch alles viel prosaischer, wir sprechen von Datenkomprimierung und nicht einmal so beeindruckend – einfach zwei klassische Bits mit einem Qubit zu übertragen.
Zwei Qubits werden als verschränkt bezeichnet, wenn wir durch Messung oder Extraktion klassischer Informationen aus dem ersten Qubit den Zustand des zweiten Qubits genau bestimmen können.Einfaches Beispiel:Nehmen wir an, es gibt Bruder und Schwester Bob und Alice. Jeden Tag zum Frühstück oder Mittagessen bereitet ihre Mutter einen Behälter mit Essen für sie vor. Sie legt entweder einen Salat oder ein Käsesandwich auf. Außerdem kennen weder Alice noch Bob den Inhalt des Behälters, wenn sie zur Schule gehen. Und erst als sie in die Schule kommen, öffnen sie ihre Behälter: Alice sieht den Salat und weiß schon genau, was sich in Bobs Behälter befindet. Ein weiteres interessanteres Beispiel ist ein Paar Socken. Nehmen wir an, Sie wachen morgens auf und möchten Socken anziehen. Wenn Sie eine der Socken an Ihrem rechten Fuß anziehen, wissen Sie sicher, dass die zweite Socke zu Ihrem linken Fuß gehört oder die linke Socke sein wird. Ultradichte Codierung basiert auf dem Phänomen der Verschränkung.
Teleportation ist die physische Bewegung von Objekten von einem Ort zum anderen in kurzer Zeit.Dieses Phänomen wurde im Quantencomputing erfunden,und in der Quantenphysik wird es experimentell nachgewiesen. Allerdings bewegen wir in diesem Fall nicht den gesamten physischen Körper, sondern nur den Zustand eines Qubits. Man kann feststellen, dass die Sache bereits klein ist; jetzt müssen Sie lernen, wie man physische Körper in Elementarteilchen spaltet und dann, nach der Übertragung über einen Quantenkommunikationskanal, physische Körper daraus wieder zusammensetzt. Auch diesem Phänomen liegt das Phänomen der Verschränkung zugrunde.
„Sagen wir, es gibt einen sowjetischen Spion …“
Das nächste Beispiel ist das BB84-Protokoll, das zum Bereich der Kryptographie gehört.Angenommen, wir haben einen bestimmten sowjetischen Spion,Zweck ist der Informationsaustausch mit dem Generalstab. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Schlüssel zu verwenden, mit dem der Spion die Nachricht verschlüsseln und der Empfänger sie entschlüsseln kann. Es gibt zwei Probleme: Wie erhält man einen bestimmten Schlüssel, damit ihn niemand fälschen kann, und zweitens, wie tauscht man den Schlüssel so aus, dass ihn niemand abfangen kann. Das BB84-Protokoll löst dieses Problem.
Am Anfang hat der Spion eine Art Zufallsbitgenerator und verwendet ihn, um Zufallsbits zu erzeugen.Es dient als Quantenbiteinzelne Photonen. Mit ihrer Hilfe verschlüsselt oder speichert er klassische Informationen in einem einzelnen Photon, nennen wir es einfach ein Qubit. In diesem Fall können beim Schreiben eines klassischen Bits in ein Qubit zwei Arten von Basen verwendet werden. Als Basis dienen unterschiedliche Polarisationen eines einzelnen Photons. Um die Aktion zu vereinfachen, nennen wir diese Basen die weißen und gelben Basen. Was das bedeutet: Mit Weiß und Gelb können wir sowohl den Wert 0 als auch den Wert 1 verschlüsseln. Wenn wir eine gelbe Basis verwenden, ist die Polarisation des Photons diagonal und es speichert den Wert 0; Wenn wir am Eingang 1 empfangen, wird antidiagonale Polarisation verwendet, und daher übertragen wir damit 1. Wenn eine weiße Basis verwendet wird, wird der Zustand 0 mit horizontaler Polarisation und 1 mit vertikaler Polarisation übertragen. Der Spion wählt Diese Basen sind willkürlich: Weder er noch sonst jemand weiß, welche er wählen wird. Die resultierenden Photonen mit einer bestimmten Polarisation werden an die Zentrale weitergeleitet, die ebenfalls über diese Stützpunkte verfügt: Mit ihrer Hilfe wird dort das resultierende Quantenbit gemessen. Der Generalstab weiß nicht, welche Stützpunkte der sowjetische Spion nutzte, daher wählt er diese Stützpunkte nach dem Zufallsprinzip aus. Aber aus wahrscheinlichkeitstheoretischer Sicht werden sie diese Grundlagen in der Hälfte der Fälle erraten. Und deshalb stimmen in etwa der Hälfte der Fälle die verwendeten Basen – und die empfangenen und gesendeten klassischen Bits – überein. Als nächstes übermittelt der Generalstab die von ihm genutzten Stützpunkte und der Spion wiederum meldet, an welchen Positionen das Gefecht stattgefunden hat. Die Zeichenfolge, die aus den komprimierten Zuständen gewonnen wurde, wird zum Schlüssel. Das heißt, wenn ein Spion 1.000 Bit klassischer Informationen sendet, beträgt der Schlüssel am Ende etwa 500 Zeichen oder 500 Bit.
Es gibt eine dritte Person, den fiktiven Müller, dessen Ziel es ist, den Schlüsselaustauschprozess zu belauschen.Wie macht er das?Angenommen, er kennt auch alle Stützpunkte, die vom Spion und vom Generalstab benutzt werden. Es kommt in die Mitte und beginnt mit seinen Basen einzelne Qubits zu akzeptieren. Auch er weiß nicht, welche Basen der sowjetische Spion benutzt hat, und wählt willkürlich zwischen den gelben und weißen Basen. In 50% der Fälle wird er raten. Folglich verlassen 50% der Qubits den Zustand, in dem sie empfangen wurden. Etwa 50% verlassen das Unternehmen jedoch in einem veränderten Zustand. Infolgedessen erhält der Generalstab beim Empfang dieser Qubits genau die Zustände, die nur in einem Viertel der Fälle gesendet wurden. Dies ist im Prinzip ein Signal dafür, dass jemand sie belauscht. Wenn niemand sie belauschen würde, würden 50% ihrer Schlüssel übereinstimmen. Wenn jedoch jemand sie belauscht, stimmen die Tasten nur in einem Viertel der Fälle überein. Daher ist das erste Problem, das wir mit Ihnen geäußert haben, das genaue Generieren eines Schlüssels, damit niemand auf diese Weise lauscht. Sobald sie feststellen, dass jemand sie belauscht, können sie den Kommunikationskanal wechseln. Das heißt, einen anderen Quantenkanal zu wählen. Das zweite Problem: Wie genau ein Schlüssel ausgetauscht werden soll, damit niemand ihn abfangen kann, wird in diesem Fall von selbst gelöst, da in diesem Fall kein Schlüsselaustauschproblem besteht.
Wann erscheinen echte Quantencomputer?
Quantencomputer existieren derzeit bereits und werden sogar praktisch industriell eingesetzt.Tatsächlich handelt es sich dabei um Computer, die in gewisser Weisegeringste Nutzung von Quanteneffekten. Diese Computer lösen eine begrenzte Anzahl von Problemen und werden hauptsächlich zur Lösung einiger Optimierungsprobleme verwendet. Beispielsweise ist das Unternehmen D-Wave einer der Entwickler von Quasi-Quantencomputern. Zu den Kunden dieses Unternehmens zählen Giganten wie Google; auch mehrere Autohersteller nutzen Quasi-Quantencomputer.
Bisher sind bereits mehrere Entwicklungen bekannt, die bei der Schaffung echter Quantencomputer durchgeführt werden.Es wurde buchstäblich vor einem Jahr entwickeltexperimentelles Modell eines Quantencomputers, der mit zwei Qubits arbeitet. Diese Quantencomputer eignen sich auch nicht zur Lösung realer Probleme, es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ihre Arbeit die Funktionsweise der Prinzipien, auf denen Quantencomputer theoretisch basieren, gut demonstriert.
2019 wurde ein Quantencomputer vorgestellt, der aus 20 Qubits besteht und mit diesen arbeitet.Dieser Computer dient ausschließlich dazuEs zeigt, dass die Prinzipien des Quantencomputings funktionieren. Dies kann beispielsweise mit zwei Megabyte RAM in der modernen Welt verglichen werden, ist also im Prinzip nichts.
Nun gibt es Hypothesen, dass Quantenverschränkung und das Phänomen der Wurmlöcher ein und dasselbe Phänomen sind.Darüber hinaus basieren Wurmlöcher selbstauf ein Phänomen wie Quantenverschränkung. Dies deutet darauf hin, dass es in Zukunft optional möglich sein wird, Wurmlöcher bereits künstlich zu erzeugen. Das heißt, einige Quantenbits miteinander verwickeln.
Wie man das Quantenbit misst
Es gibt drei Ansichten zur Messung eines Quantenbits.Erster Blick ist die Kopenhagener Theorie,eine klassische Ansicht des Messprozesses. Es heißt, dass wir mit Hilfe der Messung, wenn wir ein bestimmtes klassisches Ergebnis erhalten, das gemessene Qubit beeinflussen. Wenn wir es im Kontext eines Elektrons betrachten, wird die Messung eines Elektrons in Form einer bestimmten Welle dargestellt - das heißt, es ist eine bestimmte Wellenfunktion. Die Messung führt jedoch dazu, dass die gegebene Wellenfunktion zusammenbricht und es sich bereits um ein Teilchen handelt. Es ist wichtig, die Heisenberg-Unsicherheit zu erwähnen, die besagt, dass wir nicht gleichzeitig über die Wellenfunktion und den Ort des Elektrons Bescheid wissen können. Das heißt, wenn wir ein Elektron messen, verlieren wir die Eigenschaften der Wellenfunktion. Umgekehrt können wir bei Kenntnis der Eigenschaften der Wellenfunktion den Ort des Elektrons nicht bestimmen.
Die zweite Ansicht ist die Theorie von David Bohm, die besagt, dass wir einfach nicht alle Informationen über das System haben, aber in Wirklichkeit sowohl vor als auch nach der Messung die Wellenfunktion nirgendwo verschwindet.Es gibt einfach einige versteckte Parameter, die wirwir wissen es nicht. Und wenn wir diese zusätzlichen Eigenschaften kennen, können wir sowohl den genauen Ort des Elektrons als auch die Eigenschaften der Wellenfunktionen bestimmen. Dies kann mit dem Werfen einer gewöhnlichen Münze verglichen werden. Aus klassischer Sicht wird ein Münzwurf als zufälliger Vorgang betrachtet, das heißt, das Ergebnis kann nicht vorhergesagt werden. Aus physikalischer Sicht können wir jedoch genau bestimmen, auf welche Seite die Münze fallen wird, wenn wir einige zusätzliche Merkmale kennen. Zum Beispiel die anfängliche Aufprallkraft oder die Luftwiderstandskraft und so weiter.
Und eine dritte Möglichkeit, den Messprozess zu betrachten, ist die Theorie der mehreren Welten.Diese Theorie wurde von Hugh Everett ausgedrückt.Es heißt, dass beim Messen eine Art Spaltung der physischen Welt auftritt. Und die Hypostase, die wir beobachten, der Ort des Elektrons, ist nur in unserer Welt real. Parallel dazu entstehen andere Welten, in denen eine andere Hypostase des Elektrons real ist. Bei der Entwicklung von Everetts Theorie hat einer der Schöpfer des Quantencomputers einmal gesagt, dass das Universum selbst eine Art Quantencomputer ist und Berechnungen durchführt.
Der Grund für die Entstehung der Post-Quanten-Kryptographie war ein theoretischer Quantenalgorithmus, mit dem Sie vorhandene Verschlüsselungssysteme knacken können.Einer davon ist die Grundlage für die Sicherheit vielerInternetbanking sowie Grundlage für die Website-Verschlüsselung. Angenommen, es gibt einen sowjetischen Spion, dessen Ziel es ist, Informationen an den Generalstab zu übermitteln, und es gibt einen Dritten, der das alles belauschen kann. Zuvor haben wir uns mit der Verschlüsselung mit einem einzigen Schlüssel befasst, in diesem speziellen Fall wird jedoch eine andere Methode vorgeschlagen. Es gibt das RSA-Protokoll, dessen Zweck wie folgt ist: Es werden zwei Schlüssel generiert – ein öffentlicher und ein privater Schlüssel; Der private Schlüssel dient zum Entschlüsseln der empfangenen Nachricht und der öffentliche Schlüssel zum Verschlüsseln. Mit diesem Protokoll können Sie diesen Algorithmus implementieren, also öffentliche und private Schlüssel erstellen.
Ende des 20. Jahrhunderts schlug Peter Shor einen neuen Algorithmus vor, um die Basis des RSA-Algorithmus zu durchbrechen.Dieser Algorithmus ist vollständig quantenbasiert undDaher wird die Entstehung eines wirklich funktionierenden Quantencomputers es ermöglichen, moderne Sicherheitssysteme zu hacken. Dadurch ist eine neue Wissenschaft entstanden, die sich mit neuen Algorithmen beschäftigt, um Verschlüsselungsmethoden resistent gegen das Knacken durch einen Quantencomputer zu machen.
Siehe auch:
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