Por qué debería temer la física cuántica
"Si la física cuántica no te asusta, entonces no la entiendes"
A finales del siglo XX, muchos investigadores se dieron cuenta de que la física cuántica podría utilizarse para crear un nuevo tipo de ordenador.Podemos decir que los investigadores que se ocupan de los problemas de la computación cuántica están preparando una base teórica para la teletransportación, los viajes en el tiempo o hacia mundos paralelos.
En el contexto de la informática clásica, existe algo como 1 bit: esta es una unidad de representación o almacenamiento de información.Similar al bit clásico, se puede definirbit cuántico, que es una unidad de información cuántica. Un bit clásico puede almacenar uno de dos estados en cualquier momento: cero o uno. Desde un punto de vista físico, es la presencia o ausencia de una señal eléctrica. Como en el caso clásico, en el caso cuántico hay estados: 0 y 1. Pero, a diferencia de los cálculos clásicos, 1 qubit puede almacenar una superposición de estos estados. Es decir, el estado de un bit cuántico generalmente está determinado por dos características o dos parámetros. El primer parámetro es responsable de la probabilidad del estado cero y el segundo es responsable de la probabilidad del primer estado. Un bit cuántico es, en cierto modo, un estado probabilístico, pero de él se puede extraer información clásica. Para ello se utiliza una operación especial llamada medición.
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Los estados básicos en el caso cuántico no son los únicos estados posibles.También existe un estado, por ejemplo más o menos, y cabe señalar que el estado básico depende de la implementación física del bit cuántico.
Computación cuántica y en qué se diferencia de la computación clásica
Cualquier cálculo clásico se basa en algunas transformaciones clásicas.Es decir, estas son algunas acciones que podemosEmprende con un look clásico. Por ejemplo, el operador NOT invierte el valor de un bit clásico. Es decir, si obtenemos 0 en la entrada, obtenemos 1 en la salida y viceversa. Para trabajar con un bit cuántico se utilizan transformaciones cuánticas. Hay una diferencia que separa las transformaciones cuánticas de las clásicas. Las transformaciones cuánticas son reversibles. La acción de cualquiera de ellos se puede revertir mediante alguna otra transformación cuántica. Y, a diferencia de los cálculos clásicos, para los cálculos cuánticos se puede definir otra operación llamada “medición”. Con esta transformación podemos extraer información clásica de un bit cuántico.
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El funcionamiento de una computadora cuántica se puede determinar utilizando, respectivamente, un circuito cuántico.Si un circuito clásico consta de transformaciones clásicas, entonces un circuito cuántico consta de transformaciones cuánticas.
La computación cuántica, a diferencia de la clásica, es una ciencia joven, pero ya existen interesantes ejemplos de su aplicación.Por ejemplo, un área como la criptografía...protección de la información, los problemas de optimización se resuelven bien utilizando computadoras cuánticas. Al crear una computadora cuántica real comparable a las computadoras clásicas, podremos resolver algunos problemas más rápido que las computadoras clásicas.
La idea de la codificación ultradensa es transmitir dos bits clásicos utilizando un bit cuántico.¿Por qué se llama esta codificación?súper denso? Recordemos un agujero negro: es una especie de cuerpo físico, cuya masa entera colapsa en un punto de singularidad. Sin embargo, en el caso cuántico, todo es mucho más prosaico, estamos hablando de compresión de datos, y ni siquiera tan impresionante: simplemente transmitir dos bits clásicos usando un qubit.
Se dice que dos qubits están entrelazados si, midiendo o extrayendo información clásica del primer qubit, podemos determinar con precisión el estado del segundo qubit.Ejemplo sencillo:Digamos que hay hermanos Bob y Alice. Todos los días, para el desayuno o el almuerzo, su madre les prepara un recipiente con comida. Ella prepara una ensalada o un sándwich de queso. Además, ni Alice ni Bob conocen el contenido del contenedor cuando van a la escuela. Y solo cuando llegan a la escuela abren sus contenedores: Alice ve la ensalada y ya sabe exactamente qué hay en el contenedor de Bob. Otro ejemplo más interesante es un par de calcetines. Digamos que te levantas por la mañana y quieres ponerte unos calcetines, al ponerte uno de los calcetines en tu pie derecho sabrás con certeza que el segundo calcetín pertenece a tu pie izquierdo o será el calcetín izquierdo. La codificación ultradensa se basa en el fenómeno del entrelazamiento.
La teletransportación es el movimiento físico de objetos de un lugar a otro en un corto período de tiempo.Este fenómeno se inventó en la computación cuántica,y en física cuántica está demostrado experimentalmente. Sin embargo, en este caso no estamos moviendo todo el cuerpo físico, sino sólo el estado de un qubit. Se puede observar que el asunto ya es pequeño; ahora es necesario aprender a dividir los cuerpos físicos en partículas elementales y luego, después de la transmisión mediante un canal de comunicación cuántica, volver a unir los cuerpos físicos a partir de ellos. Este fenómeno también se basa en el fenómeno del entrelazamiento.
"Digamos que hay un espía soviético…"
El siguiente ejemplo es el protocolo BB84, que pertenece al campo de la criptografía.Supongamos que tenemos cierto espía soviético,cuya finalidad es el intercambio de información con el estado mayor. Hay varias opciones para resolver este problema. Una opción es utilizar una clave que el espía pueda utilizar para cifrar el mensaje y el destinatario para descifrarlo. Hay dos problemas: cómo obtener una clave determinada para que nadie pueda falsificarla y, en segundo lugar, cómo intercambiar la clave de tal manera que nadie pueda interceptarla. El protocolo BB84 resuelve este problema.
Al principio, el espía tiene algún tipo de generador de bits aleatorios y lo usa para generar bits aleatorios.Se utiliza como un bit cuántico.fotones individuales. Con su ayuda, cifra o almacena información clásica en un solo fotón, llamémoslo simplemente qubit. En este caso, al escribir un bit clásico en un qubit, se pueden utilizar dos tipos de bases. Como bases se utilizan diferentes polarizaciones de un solo fotón. Para simplificar la acción, llamemos a estas bases bases blanca y amarilla. Qué significa esto: Con blanco y amarillo, podemos cifrar tanto el valor 0 como el valor 1. Si usamos una base amarilla, entonces la polarización del fotón es diagonal y almacenará el valor 0; si recibimos 1 en la entrada, entonces se usa polarización antidiagonal y, por lo tanto, con ella transmitimos 1. Si se usa una base blanca, entonces el estado 0 se transmite usando polarización horizontal y 1 usando polarización vertical. El espía elige estas bases de forma arbitraria: ni él ni nadie sabe cuál elegirá. Los fotones resultantes con una cierta polarización se transmiten al cuartel general, que también cuenta con estas bases: con su ayuda se mide allí el bit cuántico resultante. El Estado Mayor no sabe qué bases utilizó el espía soviético, por lo tanto, elige estas bases al azar. Pero, desde el punto de vista de la teoría de la probabilidad, en la mitad de los casos adivinarán estas bases. Y, por lo tanto, en aproximadamente la mitad de los casos, las bases utilizadas (y los bits clásicos recibidos y transmitidos) coincidirán. A continuación, el Estado Mayor transmite las bases que utilizó y el espía, a su vez, informa en qué posiciones se produjo el encuentro. La cadena que se obtuvo de los estados comprimidos se convierte en la clave. Es decir, si un espía envía 1.000 bits de información clásica, al final la clave tendrá unos 500 caracteres, o 500 bits.
Hay una tercera persona, el ficticio Muller, cuyo objetivo es espiar el proceso de intercambio de claves.¿Cómo lo hace?Supongamos que también conoce todas esas bases que utilizan el espía y el estado mayor. Se pone en el medio y comienza a aceptar qubits individuales con sus bases. Él tampoco sabe qué bases utilizó el espía soviético y elige arbitrariamente entre las bases amarillas y blancas. En el 50% de los casos, adivina. En consecuencia, el 50% de los qubits saldrán en el mismo estado en que fueron recibidos. Sin embargo, alrededor del 50% se irá en un estado cambiado. Como resultado, al recibir estos qubits, el estado mayor recibirá exactamente los estados que se enviaron solo en una cuarta parte de los casos, en principio, esto será una señal de que alguien los está escuchando a escondidas. Si nadie los escuchó, entonces el 50% de sus claves coincidirían. Sin embargo, si alguien los escucha a escondidas, solo una cuarta parte de las veces las claves coincidirán. Por lo tanto, el primer problema que le expresamos es que cómo generar exactamente una clave para que nadie escuche a escondidas se resolverá de esta manera. Tan pronto como descubran que alguien los está escuchando, pueden cambiar el canal de comunicación. Es decir, elegir un canal cuántico diferente. El segundo problema: cómo exactamente intercambiar una clave para que nadie pueda interceptar, en este caso se resuelve por sí solo, ya que en este caso no hay problema de intercambio de claves.
¿Cuándo aparecerán las computadoras cuánticas reales?
Por el momento, las computadoras cuánticas ya existen e incluso se utilizan prácticamente industrialmente.De hecho, se trata de ordenadores que de alguna maneramínimo uso de efectos cuánticos. Estas computadoras resuelven una gama limitada de problemas y se utilizan principalmente para resolver algunos problemas de optimización. Por ejemplo, la empresa d-wave es una de las desarrolladoras de ordenadores casi cuánticos. Entre los clientes de esta empresa se encuentran gigantes como Google; varios fabricantes de automóviles también utilizan ordenadores casi cuánticos.
A día de hoy ya se conocen varios avances que se están llevando a cabo en la creación de ordenadores cuánticos reales.Hace literalmente un año se desarrolló.Modelo experimental de una computadora cuántica que funciona con dos qubits. Estos ordenadores cuánticos tampoco son adecuados para resolver problemas reales, pero es importante señalar que su trabajo demuestra bien el funcionamiento de los principios en los que se basan teóricamente los ordenadores cuánticos.
En 2019 se presentó una computadora cuántica, que consta y trabaja con 20 qubits.Esta computadora se utiliza exclusivamente parademostrando que los principios de la computación cuántica funcionan. Esto se puede comparar, por ejemplo, con dos megabytes de RAM en el mundo moderno, es decir, en principio, no es nada.
Ahora existen hipótesis de que el entrelazamiento cuántico y el fenómeno de los agujeros de gusano son el mismo fenómeno.Además, los mismos agujeros de gusano se basansobre un fenómeno como el entrelazamiento cuántico. Esto sugiere que en el futuro, como opción, será posible crear agujeros de gusano ya de forma artificial. Es decir, entrelazar algunos bits cuánticos entre sí.
Cómo medir el bit cuántico
Hay tres puntos de vista sobre la medición de un bit cuántico.El primer vistazo es la teoría de Copenhague,una vista clásica del proceso de medición. Dice que con la ayuda de la medición, nosotros, al recibir un cierto resultado clásico, influimos en el qubit medido. Si lo consideramos en el contexto de un electrón, entonces la medida de un electrón se representa en forma de cierta onda, es decir, es una determinada función de onda. Pero la medición lleva al hecho de que la función de onda dada colapsa y ya estamos tratando con una partícula. Es importante mencionar la incertidumbre de Heisenberg, que establece: que no podemos conocer la función de onda y la ubicación del electrón al mismo tiempo. Es decir, si medimos un electrón, perderemos las características de la función de onda. Por el contrario, conociendo las características de la función de onda, no podemos determinar la ubicación del electrón.
La segunda vista es la teoría de David Bohm, que dice que simplemente no tenemos toda la información sobre el sistema, pero en realidad tanto antes de la medición como después de la medición, la función de onda no desaparece en ningún lado.Simplemente hay algunos parámetros ocultos queno lo sabemos. Y conociendo estas características adicionales, podemos establecer tanto la ubicación exacta del electrón como las características de las funciones de onda. Esto se puede comparar con lanzar una moneda al aire. Si lo consideramos desde un punto de vista clásico, el lanzamiento de una moneda se considera un proceso aleatorio, es decir, el resultado no se puede predecir. Sin embargo, desde el punto de vista de la física, podemos determinar con precisión, conociendo algunas características adicionales, de qué lado caerá la moneda. Por ejemplo, la fuerza inicial del impacto o la fuerza de resistencia del aire, etc.
Y una tercera forma de ver el proceso de medición es la teoría de los mundos múltiples.Esta teoría fue expresada por Hugh Everett.Dice que al medir, ocurre una especie de división del mundo físico. Y la hipóstasis que observamos, la ubicación del electrón, es real solo en nuestro mundo. Paralelamente, se crean otros mundos en los que es real otra hipóstasis del electrón. Al desarrollar la teoría de Everett, uno de los creadores de la computación cuántica dijo una vez que, por lo tanto, el Universo en sí es una especie de computadora cuántica y realiza cálculos.
La razón del surgimiento de la criptografía post-cuántica fue un algoritmo cuántico teórico que le permite romper los sistemas de cifrado existentes.Uno de ellos es la base de la seguridad de muchos.Banca por Internet, así como la base para el cifrado de sitios web. Supongamos que hay un espía soviético cuyo objetivo es transmitir información al Estado Mayor y hay un tercero que puede espiar todo esto. Anteriormente analizamos el cifrado mediante una única clave, pero en este caso particular se propone un método diferente. Existe el protocolo RSA, cuyo propósito es el siguiente: se generan dos claves: una pública y otra privada; La clave privada se utiliza para descifrar el mensaje recibido y la clave pública para cifrarlo. Este protocolo le permite implementar este algoritmo, es decir, crear claves públicas y privadas.
A finales del siglo XX, Peter Shor propuso un nuevo algoritmo para romper el núcleo del algoritmo RSA.Este algoritmo es completamente cuántico y,por lo tanto, la aparición de una computadora cuántica que realmente funcione permitirá piratear los sistemas de seguridad modernos. Como resultado, ha surgido una nueva ciencia que busca nuevos algoritmos para hacer que los métodos de cifrado sean resistentes al descifrado por una computadora cuántica.
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