Miksi kvanttifysiikan pitäisi pelätä
"Jos kvanttifysiikka ei pelota sinua, et ymmärrä sitä"
1900-luvun lopulla monet tutkijat ymmärsivät, että kvanttifysiikan avulla voidaan luoda uudenlainen tietokone.Voimme sanoa, että kvanttilaskennan kysymyksiä käsittelevät tutkijat valmistelevat teoreettista perustaa teleportoitumiseen, aikamatkailuun tai rinnakkaismaailmoihin.
Klassisen laskennan yhteydessä on sellainen asia kuin 1 bitti - tämä on tiedon esitys- tai tallennusyksikkö.Samanlainen kuin klassinen bitti, voidaan määritelläkvanttibitti, joka on kvanttitiedon yksikkö. Yksi klassinen bitti voi tallentaa yhden kahdesta tilasta milloin tahansa: joko nollan tai yhden. Fysikaalisesta näkökulmasta tämä on sähköisen signaalin läsnäolo tai puuttuminen. Kuten klassisessa tapauksessa, kvanttitapauksessa on tiloja - 0 ja 1. Mutta toisin kuin klassisissa laskelmissa, 1 kubitti voi tallentaa näiden tilojen superposition. Toisin sanoen kvanttibitin tila määräytyy yleensä kahdella ominaisuudella tai kahdella parametrilla. Ensimmäinen parametri vastaa nollatilan todennäköisyydestä, ja toinen vastaa ensimmäisen tilan todennäköisyydestä. Kvanttibitti on jollain tapaa todennäköisyystila, mutta siitä voidaan poimia klassista informaatiota. Tätä varten käytetään erityistä toimenpidettä, jota kutsutaan mittaukseksi.
thecode.media
Kvanttitapauksen perustilat eivät ole ainoat mahdolliset tilat.Siellä on myös tila, esimerkiksi plus tai miinus, ja on huomioitava, että perustila riippuu kvanttibitin fyysisestä toteutuksesta.
Kvanttilaskenta ja miten se eroaa klassisesta laskennasta
Kaikki klassiset laskelmat perustuvat joihinkin klassisiin muunnoksiin.Eli nämä ovat joitain toimia, jotka voimme tehdätoteuttaa klassisella ilmeellä. Esimerkiksi NOT-operaattori kääntää klassisen bitin arvon. Eli jos saamme 0:n sisääntulossa, niin saamme 1:n lähdössä ja päinvastoin. Kvanttibitin kanssa työskentelyyn käytetään kvanttimuunnoksia. On yksi ero, joka erottaa kvanttimuunnokset klassisista. Kvanttimuunnokset ovat palautuvia. Minkä tahansa niiden toiminta voidaan kääntää jollain toisella kvanttimuunnolla. Ja toisin kuin klassisissa laskelmissa, kvanttilaskentille voidaan määritellä toinen operaatio, jota kutsutaan "mittaukseksi". Tällä muunnolla voimme poimia klassista tietoa kvanttibitistä.
miro.medium.com
Kvanttitietokoneen toiminta voidaan määrittää käyttämällä kvanttipiiriä.Jos klassinen piiri koostuu klassisista muunnoksista, niin kvanttipiiri koostuu kvanttimuunnoksista.
Kvanttilaskenta, toisin kuin klassinen laskenta, on nuori tiede, mutta niiden soveltamisesta on jo mielenkiintoisia esimerkkejä.Esimerkiksi salaustekniikan kaltainen alue -Tietojen suojaus, optimointiongelmat ratkeavat hyvin kvanttitietokoneilla. Luomalla todellinen kvanttitietokone, joka on verrattavissa klassisiin tietokoneisiin, pystymme ratkaisemaan joitakin ongelmia nopeammin kuin klassiset tietokoneet.
Ultratiheän koodauksen ideana on lähettää kaksi klassista bittiä yhdellä kvanttibitillä.Miksi tätä koodausta kutsutaansuper tiheä? Muistakaamme musta aukko - tämä on eräänlainen fyysinen keho, jonka koko massa romahtaa yhteen singulaarisuuspisteeseen. Kvanttitapauksessa kaikki on kuitenkin paljon proosallisempaa, puhumme tietojen pakkaamisesta, eikä edes niin vaikuttavasta - yksinkertaisesti kahden klassisen bitin lähettämisestä yhdellä kubitilla.
Kahden kubitin sanotaan olevan kietoutunut, jos mittaamalla tai poimimalla klassista tietoa ensimmäisestä kubitista voimme määrittää tarkasti toisen kubitin tilan.Yksinkertainen esimerkki:Oletetaan, että on veli ja sisko Bob ja Alice. Joka päivä aamiaiseksi tai lounaaksi heidän äitinsä valmistaa heille astian ruokaa. Hän laittaa päälle salaatin tai juustovoileivän. Lisäksi Alice ja Bob eivät tiedä kontin sisältöä kouluun menessään. Ja vasta kouluun tullessaan he avaavat säiliönsä: Alice näkee salaatin ja tietää jo tarkalleen, mitä Bobin astiassa on. Toinen mielenkiintoisempi esimerkki on sukkapari. Oletetaan, että heräät aamulla ja haluat pukea sukat jalkaan, kun laitat yhden sukista oikeaan jalkaasi, tiedät varmasti, että toinen sukka kuuluu vasempaan jalkaasi tai tulee olemaan vasen sukka. Ultratiheä koodaus perustuu takertumisen ilmiöön.
Teleportointi on esineiden fyysinen siirtyminen paikasta toiseen lyhyessä ajassa.Tämä ilmiö on keksitty kvanttilaskentaan,ja kvanttifysiikassa se osoitetaan kokeellisesti. Tässä tapauksessa emme kuitenkaan liikuta koko fyysistä kehoa, vaan vain yhden kubitin tilaa. Voidaan todeta, että asia on jo pieni, nyt sinun on opittava jakamaan fyysiset kappaleet alkuainehiukkasiksi ja sitten kvanttiviestintäkanavalla lähetyksen jälkeen koota fyysiset kappaleet niistä takaisin yhteen. Tämä ilmiö perustuu myös sotkeutumisilmiöön.
"Oletetaan, että siellä on Neuvostoliiton vakooja…"
Seuraava esimerkki on BB84-protokolla, joka kuuluu salauksen alaan.Oletetaan, että meillä on tietty Neuvostoliiton vakooja,jonka tarkoituksena on vaihtaa tietoja esikunnan kanssa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on useita vaihtoehtoja. Yksi vaihtoehto on käyttää avainta, jolla vakooja voi salata viestin ja vastaanottava osapuoli purkaa sen. On kaksi ongelmaa: kuinka saada tietty avain, jotta kukaan ei voi väärentää sitä, ja toiseksi, kuinka vaihtaa avain siten, että kukaan ei voi siepata sitä. BB84-protokolla ratkaisee tämän ongelman.
Alussa vakoojalla on jonkinlainen satunnaisbittigeneraattori, joka käyttää sitä satunnaisbittien tuottamiseen.Sitä käytetään kvanttibittinäyksittäisiä fotoneja. Heidän avullaan hän salaa tai tallentaa klassisen tiedon yhdeksi fotoniksi, kutsutaan sitä vain kubitiksi. Tässä tapauksessa, kun kirjoitetaan klassista bittiä kubittiin, voidaan käyttää kahdenlaisia kantatyyppejä. Emäksenä käytetään yhden fotonin eri polarisaatioita. Toiminnan yksinkertaistamiseksi kutsutaan näitä pohjaksia valkoisiksi ja keltaisiksi pohjaksi. Mitä tämä tarkoittaa: Valkoisella ja keltaisella voimme salata sekä arvon 0 että arvon 1. Jos käytämme keltaista kantaa, niin fotonin polarisaatio on diagonaalinen ja se tallentaa arvon 0; jos saamme sisääntuloon 1, käytetään antidiagonaalista polarisaatiota, ja siksi sen avulla lähetämme 1. Jos käytetään valkoista kantaa, niin tila 0 välitetään vaakapolarisaation avulla ja 1 avulla Vakooja valitsee nämä tukikohdat mielivaltaisesti: hän tai kukaan muu ei tiedä kumman hän valitsee. Tuloksena saadut fotonit tietyllä polarisaatiolla välitetään yleiseen päämajaan, jossa on myös nämä emäkset: niiden avulla mitataan tuloksena oleva kvanttibitti siellä. Kenraalin esikunta ei tiedä, mitä tukikohtia Neuvostoliiton vakooja käytti, joten he valitsevat satunnaisesti nämä tukikohdat. Mutta todennäköisyysteorian kannalta puolet tapauksista arvaa nämä perusteet. Ja siksi noin puolessa tapauksista käytetyt emäkset - ja vastaanotetut ja lähetetyt klassiset bitit - ovat samat. Seuraavaksi kenraali esikunta välittää käyttämänsä tukikohdat, ja vakooja puolestaan raportoi, missä paikoissa ottelu tapahtui. Merkkijonosta, joka saatiin puristetuista tiloista, tulee avain. Eli jos vakooja lähettää 1000 bittiä klassista tietoa, niin avaimessa on lopulta noin 500 merkkiä tai 500 bittiä.
On olemassa kolmas henkilö, fiktiivinen Muller, jonka tavoitteena on salakuunnella avainten vaihtoprosessia.Kuinka hän tekee sen?Oletetaan, että hän tietää myös kaikki vakoojien ja päähenkilöstön käyttämät tukikohdat. Se nousee keskelle ja alkaa hyväksyä yksittäisiä kbiittejä perustuineen. Hän ei myöskään tiedä, mitä tukiasemia Neuvostoliiton vakooja käytti, ja valitsee mielivaltaisesti keltaisen ja valkoisen tukikohdan. Hän arvaa 50 prosentissa tapauksista. Näin ollen 50% qubiteistä lähtee samassa tilassa, jossa ne vastaanotettiin. Noin 50% lähtee kuitenkin muuttuneessa tilassa. Tämän seurauksena yleishenkilöstö saa nämä kuitit vastaanotettaessa täsmälleen ne tilat, jotka lähetettiin vain neljänneksessä tapauksista, periaatteessa tämä on merkki siitä, että joku salakuuntelee heitä. Jos kukaan ei ole kuullut heitä, 50% heidän avaimistaan sopisi yhteen. Kuitenkin, jos joku salakuuntelee heitä, vain neljännes ajasta avaimet vastaavat. Siksi ensimmäinen ongelma, jonka me ilmaisimme kanssasi, on se, kuinka avain luodaan tarkalleen siten, ettei kukaan salakuuntelu ratkaise tällä tavalla. Heti kun he saavat tietää, että joku salakuuntelee heitä, he voivat vaihtaa viestintäkanavaa. Eli valita toinen kvanttikanava. Toinen ongelma: kuinka avain vaihdetaan tarkalleen, jotta kukaan ei voi siepata, ratkaistaan tässä tapauksessa itsestään, koska tässä tapauksessa ei ole avaimenvaihto-ongelmaa.
Milloin todelliset kvanttitietokoneet ilmestyvät?
Tällä hetkellä kvanttitietokoneita on jo olemassa ja niitä käytetään käytännössä jopa teollisesti.Itse asiassa nämä ovat tietokoneita, jotka jollakin tavallavähiten kvanttiefektien käyttöä. Nämä tietokoneet ratkaisevat rajoitetun määrän ongelmia, ja niitä käytetään pääasiassa joidenkin optimointiongelmien ratkaisemiseen. Esimerkiksi d-wave-yhtiö on yksi lähes kvanttitietokoneiden kehittäjistä. Tämän yrityksen asiakkaiden joukossa on sellaisia jättiläisiä kuin Google; useat autonvalmistajat käyttävät myös lähes kvanttitietokoneita.
Tähän mennessä tiedetään jo useita kehityssuuntia, joita ollaan tekemässä todellisten kvanttitietokoneiden luomisessa.Kirjaimellisesti vuosi sitten se kehitettiinkokeellinen malli kvanttitietokoneesta, joka toimii kahdella kubitilla. Nämä kvanttitietokoneet eivät myöskään sovellu todellisten ongelmien ratkaisemiseen, mutta on tärkeää huomata, että niiden työ osoittaa hyvin niiden periaatteiden toiminnan, joihin kvanttitietokoneet teoreettisesti perustuvat.
Vuonna 2019 esiteltiin kvanttitietokone, joka koostui 20 kvbitin kanssa.Tätä tietokonetta käytetään pelkästäänosoittaa, että kvanttilaskennan periaatteet toimivat. Tätä voidaan verrata esimerkiksi kahteen megatavuun RAM-muistia nykymaailmassa, eli periaatteessa se ei ole mitään.
Nyt on olemassa hypoteeseja, joiden mukaan kvanttikettuminen ja madonreikien ilmiö ovat yksi ja sama ilmiö.Lisäksi madonreiät perustuvat itsesellaisesta ilmiöstä kuin kvanttitartunta. Tämä viittaa siihen, että tulevaisuudessa vaihtoehtona on mahdollista luoda madonreikiä jo keinotekoisesti. Toisin sanoen sekoittamalla joitain kvanttibitit toisiinsa.
Kuinka mitata kvanttibitti
Kvanttibitin mittaamiseen on kolme näkemystä.Ensimmäinen katsaus on Kööpenhaminan teoria,klassinen näkymä mittausprosessista. Siinä sanotaan, että mittauksen avulla me saamme tietyn klassisen tuloksen, vaikuttamaan mitattuun kiitoon. Jos tarkastelemme sitä elektronin yhteydessä, niin elektronin mittaus esitetään tietyn aallon muodossa - toisin sanoen se on tietty aaltofunktio. Mutta mittaus johtaa siihen, että annettu aaltofunktio romahtaa, ja olemme jo tekemisissä hiukkasen kanssa. On tärkeää mainita Heisenbergin epävarmuus, joka sanoo: että emme voi tietää aaltofunktiosta ja elektronin sijainnista samanaikaisesti. Toisin sanoen, jos mitataan elektroni, menetämme aaltofunktion ominaisuudet. Toisaalta, tietäen aaltofunktion ominaisuudet, emme voi määrittää elektronin sijaintia.
Toinen näkemys on David Bohmin teoria, jonka mukaan meillä ei yksinkertaisesti ole kaikkia tietoja järjestelmästä, mutta todellisuudessa sekä ennen mittausta että mittauksen jälkeen aaltofunktio ei häviä missään.Meillä on vain joitain piilotettuja parametrejaemme tiedä. Ja kun tiedämme nämä lisäominaisuudet, voimme määrittää sekä elektronin tarkan sijainnin että aaltofunktioiden ominaisuudet. Tätä voidaan verrata tavallisen kolikon heittämiseen. Jos tarkastellaan sitä klassisesta näkökulmasta, kolikonheittoa pidetään satunnaisena prosessina, eli tulosta ei voida ennustaa. Fysiikan näkökulmasta voimme kuitenkin tiettyjen lisäominaisuuksien perusteella määrittää tarkasti, kummalle puolelle kolikko putoaa. Esimerkiksi iskun alkuvoima tai ilmanvastusvoima ja niin edelleen.
Ja kolmas tapa tarkastella mittausprosessia on useiden maailmojen teoria.Tämän teorian ilmaisi Hugh Everett.Siinä sanotaan, että mitattaessa tapahtuu eräänlainen fyysisen maailman jakautuminen. Ja havaitsemamme hypostaasi, elektronin sijainti, on todellinen vain maailmassamme. Samanaikaisesti luodaan muita maailmoja, joissa toinen elektronin hypostaasi on todellinen. Kehittäessään Everettin teoriaa yksi kvanttilaskennan tekijöistä sanoi kerran, että siis universumi itsessään on eräänlainen kvanttitietokone ja suorittaa laskelmia.
Syy kvantin jälkeisen salauksen syntymiseen oli teoreettinen kvanttialgoritmi, jonka avulla voit murtaa olemassa olevat salausjärjestelmät.Yksi niistä on perusta monien turvallisuudelleInternet-pankkitoiminta sekä verkkosivuston salauksen perusta. Oletetaan, että on Neuvostoliiton vakooja, jonka tavoitteena on välittää tietoa kenraalin esikunnalle, ja on olemassa kolmas osapuoli, joka voi salakuunnella kaiken tämän. Aiemmin tarkastelimme salausta yhdellä avaimella, mutta tässä tapauksessa ehdotetaan erilaista menetelmää. On olemassa RSA-protokolla, jonka tarkoitus on seuraava: luodaan kaksi avainta - julkinen avain ja yksityinen avain; Yksityistä avainta käytetään vastaanotetun viestin salauksen purkamiseen ja julkista avainta käytetään sen salaamiseen. Tämän protokollan avulla voit toteuttaa tämän algoritmin, eli luoda julkisia ja yksityisiä avaimia.
1900-luvun lopulla Peter Shor ehdotti uutta algoritmia RSA-algoritmin pohjan rikkomiseksi.Tämä algoritmi on täysin kvantti, jasiksi todella toimivan kvanttitietokoneen ilmaantuminen mahdollistaa nykyaikaisten turvajärjestelmien hakkeroinnin. Tämän seurauksena on syntynyt uusi tiede, joka etsii uusia algoritmeja, joiden avulla salausmenetelmät saadaan kestämään kvanttitietokoneen aiheuttamaa murtumista.
Katso myös:
Ensimmäinen tarkka maailmankartta luotiin. Mitä vikaa kaikilla muilla on?
Ilmastonmuutos on siirtänyt Maan akselia
NASA kertoi kuinka he toimittavat Marsin näytteitä maapallolle