Zašto bi se kvantna fizika trebala bojati
"Ako vas kvantna fizika ne plaši, onda je ne razumijete"
Krajem 20. stoljeća mnogi su istraživači shvatili da se kvantna fizika može iskoristiti za stvaranje nove vrste računala.Možemo reći da istraživači koji se bave pitanjima kvantnog računarstva pripremaju teorijsku osnovu za teleportaciju, putovanje kroz vrijeme ili u paralelne svjetove.
U kontekstu klasičnog računalstva postoji nešto poput 1 bita - ovo je jedinica prikaza ili pohrane informacija.Slično klasičnom bitu, može se definiratikvantni bit, koji je jedinica kvantne informacije. Jedan klasični bit može pohraniti jedno od dva stanja u bilo kojem trenutku u vremenu: nulu ili jedinicu. S fizičke točke gledišta, to je prisutnost ili odsutnost električnog signala. Kao iu klasičnom slučaju, u kvantnom slučaju postoje stanja - 0 i 1. Ali, za razliku od klasičnih izračuna, 1 qubit može pohraniti superpoziciju tih stanja. To jest, stanje kvantnog bita općenito je određeno dvjema karakteristikama, odnosno dvama parametrima. Prvi parametar je odgovoran za vjerojatnost nultog stanja, a drugi je odgovoran za vjerojatnost prvog stanja. Kvantni bit je na neki način probabilističko stanje, ali iz njega se mogu izvući klasične informacije. Da biste to učinili, koristi se posebna operacija koja se naziva mjerenje.
kod.medija
Osnovna stanja u kvantnom slučaju nisu jedina moguća stanja.Postoji i stanje npr. plus ili minus, a treba napomenuti da osnovno stanje ovisi o fizičkoj implementaciji kvantnog bita.
Kvantno računanje i po čemu se razlikuje od klasičnog računalstva
Svi klasični izračuni temelje se na nekim klasičnim transformacijama.Odnosno, to su neke akcije koje možemopoduzeti s klasičnim izgledom. Na primjer, operator NOT invertira vrijednost klasičnog bita. Odnosno, ako na ulazu dobijemo 0, na izlazu dobijemo 1 i obrnuto. Za rad s kvantnim bitom koriste se kvantne transformacije. Postoji jedna razlika koja odvaja kvantne transformacije od klasičnih. Kvantne transformacije su reverzibilne. Djelovanje bilo kojeg od njih može se poništiti pomoću neke druge kvantne transformacije. I, za razliku od klasičnih izračuna, za kvantne proračune može se definirati još jedna operacija koja se zove "mjerenje". Ovom transformacijom možemo izdvojiti klasičnu informaciju iz kvantnog bita.
miro.medium.com
Rad kvantnog računala može se odrediti pomoću kvantnog kruga.Ako se klasični sklop sastoji od klasičnih transformacija, onda se kvantni sklop sastoji od kvantnih.
Kvantno računanje, za razliku od klasičnog računarstva, mlada je znanost, ali već postoje zanimljivi primjeri njihove primjene.Na primjer, područje kao što je kriptografija -zaštita informacija, problemi optimizacije dobro se rješavaju pomoću kvantnih računala. Stvaranjem pravog kvantnog računala usporedivog s klasičnim računalima neke ćemo probleme moći rješavati brže od klasičnih računala.
Ideja ultra-gustog kodiranja je prijenos dva klasična bita pomoću jednog kvantnog bita.Zašto se ovo kodiranje zovesuper gusta? Sjetimo se crne rupe - to je vrsta fizičkog tijela čija se cijela masa urušava u jednu točku singularnosti. No, u kvantnom slučaju sve je puno prozaičnije, govorimo o kompresiji podataka, a čak ni ne tako impresivnoj - jednostavnim prijenosom dva klasična bita pomoću jednog qubita.
Kaže se da su dva qubita isprepletena ako, mjerenjem ili izvlačenjem klasičnih informacija iz prvog qubita, možemo točno odrediti stanje drugog qubita.Jednostavan primjer:Recimo da postoje brat i sestra Bob i Alice. Svaki dan za doručak ili ručak majka im pripremi posudu s hranom. Stavi ili salatu ili sendvič sa sirom. Štoviše, ni Alice ni Bob ne znaju sadržaj spremnika kad idu u školu. I tek kad dođu u školu, otvore svoje posude: Alice vidi salatu i već točno zna što je u Bobovoj posudi. Još jedan zanimljiviji primjer je par čarapa. Recimo da se ujutro probudite i želite navući čarape, obuvanjem jedne čarape na desno stopalo znat ćete sa sigurnošću da druga čarapa pripada vašem lijevom stopalu ili će biti lijeva čarapa. Ultra-gusto kodiranje temelji se na fenomenu isprepletenosti.
Teleportacija je fizičko kretanje objekata s jednog mjesta na drugo u kratkom vremenskom razdoblju.Ovaj fenomen je izmišljen u kvantnom računalstvu,a u kvantnoj fizici se eksperimentalno dokazuje. No, u ovom slučaju ne pomičemo cijelo fizičko tijelo, već samo stanje jednog qubita. Može se primijetiti da je stvar već mala, sada treba naučiti kako fizička tijela razdvojiti na elementarne čestice, a zatim, nakon prijenosa putem kvantnog komunikacijskog kanala, iz njih ponovno sastaviti fizička tijela. Ovaj fenomen također se temelji na fenomenu ispreplitanja.
"Recimo da postoji sovjetski špijun…"
Sljedeći primjer je protokol BB84, koji pripada području kriptografije.Pretpostavimo da imamo izvjesnog sovjetskog špijuna,čija je svrha razmjena informacija s glavnim stožerom. Postoji nekoliko opcija za rješavanje ovog problema. Jedna od mogućnosti je korištenje ključa koji špijun može koristiti za šifriranje poruke, a primatelj da je dešifrira. Postoje dva problema: kako doći do zadanog ključa tako da ga nitko ne može krivotvoriti, i drugo, kako razmijeniti ključ na način da ga nitko ne može presresti. BB84 protokol rješava ovaj problem.
U početku, špijun ima neku vrstu generatora slučajnih bitova i koristi ga za generiranje slučajnih bitova.Koristi se kao kvantni bitpojedinačni fotoni. Uz njihovu pomoć on šifrira ili pohranjuje klasičnu informaciju u jedan foton, nazovimo ga jednostavno qubit. U ovom slučaju, pri upisivanju klasičnog bita u qubit, mogu se koristiti dvije vrste baza. Kao baze koriste se različite polarizacije jednog fotona. Da pojednostavimo radnju, nazovimo ove baze bijele i žute baze. Što to znači: s bijelom i žutom bojom možemo šifrirati i vrijednost 0 i vrijednost 1. Ako koristimo žutu osnovu, tada je polarizacija fotona dijagonalna i on će pohraniti vrijednost 0; ako na ulazu primamo 1, tada se koristi antidijagonalna polarizacija, pa njome prenosimo 1. Ako se koristi bijela baza, tada se stanje 0 prenosi horizontalnom polarizacijom, a 1 vertikalnom polarizacijom. Špijun bira ove osnove proizvoljno: ni on, ni itko drugi, ne zna koju će izabrati. Rezultirajući fotoni s određenom polarizacijom prenose se u glavni stožer, koji također ima te baze: uz njihovu pomoć tamo se mjeri rezultirajući kvantni bit. Glavni stožer ne zna koje je baze koristio sovjetski špijun, stoga nasumično bira te baze. Ali, sa stajališta teorije vjerojatnosti, u polovici slučajeva oni će pogoditi te baze. Stoga će se u otprilike polovici slučajeva korištene baze - te primljeni i odaslani klasični bitovi - podudarati. Zatim, Glavni stožer prenosi baze koje je koristio, a špijun zauzvrat javlja na kojim se pozicijama dogodila poklapanja. Žica koja je dobivena iz stisnutih stanja postaje ključ. Odnosno, ako špijun pošalje 1000 bitova klasične informacije, onda će na kraju ključ imati oko 500 znakova, odnosno 500 bita.
Postoji treća osoba, fiktivni Muller, čiji je cilj prisluškivati proces razmjene ključeva.Kako to radi?Pretpostavimo da zna i sve one baze koje koriste špijun i glavni stožer. Dolazi u sredinu i počinje prihvaćati pojedinačne kubite sa svojim osnovama. Također ne zna koje je baze koristio sovjetski špijun, te proizvoljno bira između žute i bijele baze. U 50% slučajeva pretpostavlja. Posljedično, 50% kubita ostavit će u istom stanju u kojem su primljeni. Međutim, oko 50% će otići u promijenjenom stanju. Kao rezultat toga, kad primaju ove kubite, glavni će stožer primiti točno ona stanja koja su poslana samo u četvrtini slučajeva, u načelu će to biti signal da ih netko prisluškuje. Ako ih nitko nije čuo, onda bi se 50% njihovih ključeva podudaralo. Međutim, ako ih netko prisluškuje, samo četvrtina vremena ključevi će se podudarati. Stoga je prvi problem koji smo s vama izrazili taj kako točno generirati ključ kako nitko ne bi prisluškivao na ovaj način. Čim saznaju da ih netko prisluškuje, mogu promijeniti komunikacijski kanal. Odnosno, odabrati drugi kvantni kanal. Drugi problem: kako točno zamijeniti ključ tako da ga nitko ne može presresti, u ovom slučaju je riješen sam po sebi, budući da u ovom slučaju nema problema s razmjenom ključa.
Kada će se pojaviti prava kvantna računala?
U ovom trenutku, kvantna računala već postoje, pa se čak i praktično koriste u industriji.Zapravo se radi o računalima koja na neki načinnajmanja upotreba kvantnih učinaka. Ova računala rješavaju ograničeni raspon problema i uglavnom se koriste za rješavanje nekih problema optimizacije. Na primjer, tvrtka d-wave jedan je od razvijača gotovo kvantnih računala. Među klijentima ove tvrtke su divovi poput Googlea; nekoliko proizvođača automobila također koristi gotovo kvantna računala.
Do danas je već poznato nekoliko razvoja koji se provode u stvaranju pravih kvantnih računala.Doslovno prije godinu dana razvijen jeeksperimentalni model kvantnog računala koji radi s dva qubita. Ova kvantna računala također nisu prikladna za rješavanje stvarnih problema, no važno je napomenuti da njihov rad dobro pokazuje djelovanje principa na kojima se kvantna računala teoretski temelje.
U 2019. predstavljeno je kvantno računalo koje se sastoji od 20 kubita i radi s njima.Ovo računalo se koristi isključivo zapokazujući da principi kvantnog računalstva funkcioniraju. To se može usporediti s dva megabajta, na primjer, RAM-a u modernom svijetu, to jest, u principu, nije ništa.
Sada postoje hipoteze da su kvantna isprepletenost i fenomen crvotočina jedan te isti fenomen.Štoviše, temelje se i same crvotočineo takvoj pojavi kao što je kvantno preplitanje. To sugerira da će u budućnosti, kao opcija, biti moguće već stvarati crvotočine već umjetno. Odnosno, zaplete neke kvantne bitove jedan s drugim.
Kako izmjeriti kvantni bit
Postoje tri pogleda na mjerenje kvantnog bita.Prvi pogled je teorija iz Kopenhagena,klasičan prikaz procesa mjerenja. Kaže da uz pomoć mjerenja mi, primajući određeni klasični rezultat, utječemo na izmjereni qubit. Ako to promatramo u kontekstu elektrona, tada je mjerenje elektrona prikazano u obliku određenog vala - to jest, to je određena valna funkcija. No, mjerenje dovodi do činjenice da se zadana valna funkcija urušava, a mi već imamo posla s česticom. Važno je spomenuti Heisenbergovu nesigurnost koja kaže: da ne možemo znati o valnoj funkciji i položaju elektrona u isto vrijeme. Odnosno, mjerimo li elektron, izgubit ćemo karakteristike valne funkcije. Nasuprot tome, poznavajući karakteristike valne funkcije, ne možemo odrediti mjesto elektrona.
Drugi je pogled teorija Davida Bohma koja kaže da jednostavno nemamo sve podatke o sustavu, ali u stvarnosti i prije mjerenja, i nakon mjerenja, valna funkcija nigdje ne nestaje.Jednostavno postoje neki skriveni parametri koje mine znamo. A znajući ove dodatne karakteristike, možemo utvrditi i točnu lokaciju elektrona i karakteristike valnih funkcija. To se može usporediti s bacanjem običnog novčića. Ako promatramo s klasičnog gledišta, bacanje novčića smatra se slučajnim procesom, odnosno rezultat se ne može predvidjeti. Međutim, sa stajališta fizike, možemo točno odrediti, poznavajući neke dodatne karakteristike, na koju će stranu novčić pasti. Na primjer, početna sila udarca ili sila otpora zraka i tako dalje.
I treći način gledanja na proces mjerenja je teorija višestrukih svjetova.Ovu teoriju izrazio je Hugh Everett.Kaže da se pri mjerenju događa svojevrsno cijepanje fizičkog svijeta. Ipostas koju promatramo, mjesto elektrona, stvarna je samo u našem svijetu. Paralelno se stvaraju i drugi svjetovi u kojima je još jedna hipostaza elektrona stvarna. Razvijajući Everettovu teoriju, jedan od tvoraca kvantnog računarstva jednom je rekao da je, dakle, sam Svemir neka vrsta kvantnog računala i vrši proračune.
Razlog za nastanak post-kvantne kriptografije bio je teoretski kvantni algoritam koji vam omogućuje razbijanje postojećih sustava šifriranja.Jedan od njih je temelj sigurnosti mnogihInternet bankarstvo, kao i osnova za enkripciju web stranice. Pretpostavimo da postoji sovjetski špijun čiji je cilj prenijeti informacije Glavnom stožeru i da postoji treća strana koja sve to može prisluškivati. Prethodno smo promatrali enkripciju pomoću jednog ključa, ali u ovom konkretnom slučaju predložena je drugačija metoda. Postoji RSA protokol čija je svrha sljedeća: generiraju se dva ključa - javni ključ i privatni; Privatni ključ se koristi za dekriptiranje primljene poruke, a javni ključ za šifriranje. Ovaj protokol vam omogućuje implementaciju ovog algoritma, odnosno stvaranje javnih i privatnih ključeva.
Krajem 20. stoljeća Peter Shor predložio je novi algoritam za razbijanje osnove RSA algoritma.Ovaj algoritam je potpuno kvantni, i,dakle, pojava kvantnog računala koje stvarno radi omogućit će hakiranje modernih sigurnosnih sustava. Kao rezultat toga, pojavila se nova znanost koja traži nove algoritme kako bi metode šifriranja učinile otpornima na probijanje pomoću kvantnog računala.
Pogledajte i:
Stvorena je prva točna karta svijeta. Što nije u redu sa svima ostalima?
Klimatske promjene pomaknule su os Zemlje
NASA je rekla kako će dostaviti uzorke Marsa na Zemlju