Pourquoi la physique quantique devrait avoir peur
« Si la physique quantique ne vous fait pas peur, c’est que vous ne la comprenez pas »
À la fin du XXe siècle, de nombreux chercheurs ont réalisé que la physique quantique pouvait être utilisée pour créer un nouveau type d’ordinateur.On peut dire que les chercheurs qui traitent des questions de l'informatique quantique préparent une base théorique pour la téléportation, les voyages dans le temps ou vers des mondes parallèles.
Dans le contexte de l'informatique classique, il existe un bit - c'est une unité de représentation ou de stockage d'informations.Semblable au bit classique, on peut définirbit quantique, qui est une unité d’information quantique. Un bit classique peut stocker l'un des deux états suivants à tout moment : zéro ou un. D'un point de vue physique, il s'agit de la présence ou de l'absence d'un signal électrique. Comme dans le cas classique, dans le cas quantique, il existe des états - 0 et 1. Mais contrairement aux calculs classiques, 1 qubit peut stocker une superposition de ces états. Autrement dit, l’état d’un bit quantique est généralement déterminé par deux caractéristiques ou deux paramètres. Le premier paramètre est responsable de la probabilité de l’état zéro et le second est responsable de la probabilité du premier état. Un bit quantique est en quelque sorte un état probabiliste, mais des informations classiques peuvent en être extraites. Pour ce faire, une opération spéciale appelée mesure est utilisée.
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Les états de base dans le cas quantique ne sont pas les seuls états possibles.Il existe également un état, par exemple plus ou moins, et il convient de noter que l'état de base dépend de la mise en œuvre physique du bit quantique.
L'informatique quantique et ses différences avec l'informatique classique
Tous les calculs classiques sont basés sur des transformations classiques.Autrement dit, ce sont quelques actions que nous pouvonsentreprendre avec un look classique. Par exemple, l'opérateur NOT inverse la valeur d'un bit classique. Autrement dit, si nous obtenons 0 en entrée, alors nous obtenons 1 en sortie, et vice versa. Pour travailler avec un bit quantique, des transformations quantiques sont utilisées. Il existe une différence qui différencie les transformations quantiques des transformations classiques. Les transformations quantiques sont réversibles. L’action de n’importe lequel d’entre eux peut être inversée à l’aide d’une autre transformation quantique. Et contrairement aux calculs classiques, pour les calculs quantiques on peut définir une autre opération appelée « mesure ». Avec cette transformation, nous pouvons extraire des informations classiques d'un bit quantique.
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Le fonctionnement d'un ordinateur quantique peut être déterminé en utilisant, respectivement, un circuit quantique.Si un circuit classique est constitué de transformations classiques, alors un circuit quantique est constitué de transformations quantiques.
L'informatique quantique, contrairement au classique, est une science jeune, mais il existe déjà des exemples intéressants de leur application.Par exemple, un domaine tel que la cryptographie -protection des informations, les problèmes d'optimisation sont bien résolus à l'aide d'ordinateurs quantiques. En créant un véritable ordinateur quantique comparable aux ordinateurs classiques, nous pourrons résoudre certains problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques.
L'idée du codage ultra-dense est de transmettre deux bits classiques à l'aide d'un bit quantique.Pourquoi ce codage s'appelle-t-ilhyper dense ? Souvenons-nous d'un trou noir - c'est une sorte de corps physique dont toute la masse s'effondre en un seul point de singularité. Cependant, dans le cas quantique, tout est beaucoup plus prosaïque, nous parlons de compression de données, et même pas aussi impressionnante - il s'agit simplement de transmettre deux bits classiques à l'aide d'un qubit.
Deux qubits sont dits intriqués si, en mesurant ou en extrayant des informations classiques du premier qubit, nous pouvons déterminer avec précision l’état du deuxième qubit.Exemple simple :Disons qu'il y a le frère et la sœur Bob et Alice. Chaque jour, au petit-déjeuner ou au déjeuner, leur mère leur prépare un contenant de nourriture. Elle met soit une salade, soit un sandwich au fromage. De plus, ni Alice ni Bob ne connaissent le contenu du contenant lorsqu'ils vont à l'école. Et ce n’est que lorsqu’ils arrivent à l’école qu’ils ouvrent leurs contenants : Alice voit la salade et sait déjà exactement ce qu’il y a dans le contenant de Bob. Un autre exemple plus intéressant est une paire de chaussettes. Disons que vous vous réveillez le matin et que vous voulez mettre des chaussettes, en mettant une des chaussettes sur votre pied droit, vous saurez avec certitude que la deuxième chaussette appartient à votre pied gauche ou sera la chaussette gauche. Le codage ultra-dense repose sur le phénomène d’intrication.
La téléportation est le mouvement physique d'objets d'un endroit à un autre en peu de temps.Ce phénomène est inventé en informatique quantique,et en physique quantique, cela est démontré expérimentalement. Cependant, dans ce cas, nous ne déplaçons pas tout le corps physique, mais seulement l’état d’un qubit. On peut noter que l'affaire est déjà petite : il faut maintenant apprendre à diviser les corps physiques en particules élémentaires, puis, après transmission via un canal de communication quantique, reconstituer les corps physiques à partir d'elles. Ce phénomène repose également sur le phénomène d’intrication.
"Disons qu'il y a un espion soviétique..."
L'exemple suivant est le protocole BB84, qui appartient au domaine de la cryptographie.Supposons que nous ayons un certain espion soviétique,dont le but est d'échanger des informations avec l'état-major. Il existe plusieurs options pour résoudre ce problème. Une option consiste à utiliser une clé que l'espion peut utiliser pour crypter le message et que le destinataire peut le déchiffrer. Deux problèmes se posent : comment obtenir une clé donnée afin que personne ne puisse la falsifier, et deuxièmement, comment échanger la clé de manière à ce que personne ne puisse l'intercepter. Le protocole BB84 résout ce problème.
Au début, l'espion a une sorte de générateur de bits aléatoires et l'utilise pour générer des bits aléatoires.Il utilise comme bit quantiquephotons uniques. Avec leur aide, il crypte ou stocke les informations classiques dans un seul photon, appelons-le simplement qubit. Dans ce cas, lors de l’écriture d’un bit classique dans un qubit, deux types de bases peuvent être utilisées. Différentes polarisations d'un même photon sont utilisées comme bases. Pour simplifier l'action, appelons ces bases les bases blanches et jaunes. Ce que cela signifie : Avec le blanc et le jaune, nous pouvons crypter à la fois la valeur 0 et la valeur 1. Si nous utilisons une base jaune, alors la polarisation du photon est diagonale et il stockera la valeur 0 ; si nous recevons 1 à l'entrée, alors la polarisation antidiagonale est utilisée et, par conséquent, nous transmettons 1 en utilisant. Si une base blanche est utilisée, alors l'état 0 est transmis en polarisation horizontale et 1 en polarisation verticale. L'espion choisit ces bases arbitrairement : ni lui, ni personne d’autre, ne sait laquelle il choisira. Les photons résultants avec une certaine polarisation sont transmis au quartier général, qui dispose également de ces bases : avec leur aide, le bit quantique résultant y est mesuré. L'état-major ne sait pas quelles bases l'espion soviétique a utilisées, c'est pourquoi il choisit ces bases au hasard. Mais, du point de vue de la théorie des probabilités, dans la moitié des cas, ils devineront ces bases. Et donc, dans environ la moitié des cas, les bases utilisées - et les bits classiques reçus et transmis - coïncideront. Ensuite, l'état-major transmet les bases qu'il a utilisées et l'espion, à son tour, signale les positions dans lesquelles le match a eu lieu. La chaîne obtenue à partir des états compressés devient la clé. Autrement dit, si un espion envoie 1 000 bits d’informations classiques, la clé sera finalement composée d’environ 500 caractères, soit 500 bits.
Il existe une troisième personne, le fictif Muller, dont le but est d'écouter le processus d'échange de clés.Comment fait-il?Supposons qu'il connaisse également toutes ces bases utilisées par l'espion et l'état-major. Il se situe au milieu et commence à accepter des qubits simples avec ses bases. Lui aussi ne sait pas sur quelles bases l'espion soviétique a utilisé et choisit arbitrairement entre les bases jaune et blanche. Dans 50% des cas, il devinera. Par conséquent, 50% des qubits partiront dans le même état dans lequel ils ont été reçus. Cependant, environ 50% partiront dans un état modifié. En conséquence, lors de la réception de ces qubits, l'état-major recevra exactement les états qui n'ont été envoyés que dans un quart des cas, en principe, ce sera un signal que quelqu'un les écoute. Si personne ne les entendait, alors 50% de leurs clés correspondraient. Cependant, si quelqu'un les écoute, seulement un quart du temps, les clés correspondent. Par conséquent, le premier problème que nous avons soulevé avec vous est de savoir comment générer exactement une clé afin qu'aucune écoute ne soit résolue de cette manière. Dès qu'ils découvrent que quelqu'un les écoute, ils peuvent changer de canal de communication. Autrement dit, pour choisir un canal quantique différent. Le deuxième problème: comment exactement échanger une clé pour que personne ne puisse intercepter, dans ce cas est résolu par lui-même, car il n'y a pas de problème d'échange de clé dans ce cas.
Quand de vrais ordinateurs quantiques apparaîtront-ils?
À l'heure actuelle, les ordinateurs quantiques existent déjà et sont même pratiquement utilisés industriellement.En fait, ce sont des ordinateurs qui, d'une manière ou d'une autre,utilisation minimale des effets quantiques. Ces ordinateurs résolvent une gamme limitée de problèmes et sont principalement utilisés pour résoudre certains problèmes d’optimisation. Par exemple, la société d-wave est l’un des développeurs d’ordinateurs quasi quantiques. Parmi les clients de cette entreprise figurent des géants comme Google ; plusieurs constructeurs automobiles utilisent également des ordinateurs quasi quantiques.
À ce jour, on connaît déjà plusieurs développements en cours dans la création de véritables ordinateurs quantiques.Il y a littéralement un an, il a été développémodèle expérimental d'un ordinateur quantique fonctionnant avec deux qubits. Ces ordinateurs quantiques ne sont pas non plus adaptés à la résolution de problèmes réels, mais il est important de noter que leurs travaux démontrent bien le fonctionnement des principes sur lesquels reposent théoriquement les ordinateurs quantiques.
En 2019, un ordinateur quantique a été présenté, composé et fonctionnant avec 20 qubits.Cet ordinateur est utilisé uniquement pourdémontrant que les principes de l’informatique quantique fonctionnent. Cela peut être comparé à deux mégaoctets, par exemple, de RAM dans le monde moderne, c'est-à-dire qu'en principe ce n'est rien.
Il existe désormais des hypothèses selon lesquelles l’intrication quantique et le phénomène des trous de ver seraient un seul et même phénomène.De plus, les trous de ver eux-mêmes sont baséssur un phénomène tel que l'intrication quantique. Cela suggère qu'à l'avenir, en option, il sera possible de créer déjà artificiellement des trous de ver. Autrement dit, enchevêtrer certains bits quantiques les uns avec les autres.
Comment mesurer le bit quantique
Il existe trois points de vue sur la mesure d'un bit quantique.Le premier regard est la théorie de Copenhague,une vue classique du processus de mesure. Il dit qu'avec l'aide de la mesure, nous, recevant un certain résultat classique, influencons le qubit mesuré. Si nous le considérons dans le contexte d'un électron, alors la mesure d'un électron est représentée sous la forme d'une certaine onde - c'est-à-dire qu'il s'agit d'une certaine fonction d'onde. Mais la mesure conduit au fait que la fonction d'onde donnée s'effondre, et nous avons déjà affaire à une particule. Il est important de mentionner l'incertitude de Heisenberg, qui stipule: que nous ne pouvons pas connaître la fonction d'onde et l'emplacement de l'électron en même temps. Autrement dit, si nous mesurons un électron, nous perdrons les caractéristiques de la fonction d'onde. Inversement, connaissant les caractéristiques de la fonction d'onde, nous ne pouvons pas déterminer l'emplacement de l'électron.
Le deuxième point de vue est la théorie de David Bohm, qui dit que nous n'avons tout simplement pas toutes les informations sur le système, mais en réalité à la fois avant la mesure et après la mesure, la fonction d'onde ne disparaît nulle part.Il y a simplement quelques paramètres cachés que nousnous ne savons pas. Et connaissant ces caractéristiques supplémentaires, nous pouvons établir à la fois l’emplacement exact de l’électron et les caractéristiques des fonctions d’onde. Cela peut être comparé au lancer d’une pièce de monnaie ordinaire. Si nous le considérons d'un point de vue classique, un tirage au sort est considéré comme un processus aléatoire, c'est-à-dire que le résultat ne peut être prédit. Cependant, du point de vue de la physique, nous pouvons déterminer avec précision, connaissant certaines caractéristiques supplémentaires, de quel côté tombera la pièce. Par exemple, la force d’impact initiale ou la force de résistance de l’air, etc.
Et une troisième façon d’envisager le processus de mesure est la théorie des mondes multiples.Cette théorie a été exprimée par Hugh Everett.Il dit que lors de la mesure, une sorte de division du monde physique se produit. Et l'hypostase que nous observons, la localisation de l'électron, n'est réelle que dans notre monde. En parallèle, d'autres mondes sont créés, dans lesquels une autre hypostase de l'électron est réelle. En développant la théorie d'Everett, l'un des créateurs de l'informatique quantique a dit un jour que, par conséquent, l'Univers lui-même est une sorte d'ordinateur quantique et effectue des calculs.
La raison de l'émergence de la cryptographie post-quantique était un algorithme quantique théorique qui vous permet de déchiffrer les systèmes de cryptage existants.L'un d'eux est la base de la sécurité de nombreuxServices bancaires par Internet, ainsi que base du cryptage des sites Web. Supposons qu’il existe un espion soviétique dont le but est de transmettre des informations à l’état-major, et qu’il existe un tiers capable d’écouter tout cela. Nous avons précédemment étudié le chiffrement à l'aide d'une clé unique, mais dans ce cas particulier, une méthode différente est proposée. Il existe le protocole RSA dont le but est le suivant : deux clés sont générées - une clé publique et une privée ; La clé privée est utilisée pour déchiffrer le message reçu et la clé publique est utilisée pour le chiffrer. Ce protocole permet d'implémenter cet algorithme, c'est-à-dire de créer des clés publiques et privées.
À la fin du 20e siècle, un nouvel algorithme a été proposé par Peter Shor pour briser les bases de l'algorithme RSA.Cet algorithme est complètement quantique et,par conséquent, l’émergence d’un ordinateur quantique réellement fonctionnel permettra de pirater les systèmes de sécurité modernes. En conséquence, une nouvelle science a émergé qui étudie de nouveaux algorithmes pour rendre les méthodes de cryptage résistantes au piratage par un ordinateur quantique.
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