Miért kell félnie a kvantumfizikának?
"Ha a kvantumfizika nem ijeszt meg, akkor nem érted"
A 20. század végén sok kutató rájött, hogy a kvantumfizika felhasználható egy új típusú számítógép létrehozására.Mondhatjuk, hogy a kvantumszámítás kérdéseivel foglalkozó kutatók elméleti alapot készítenek a teleportálásokhoz, az időutazáshoz vagy a párhuzamos világokhoz.
A klasszikus számítástechnika összefüggésében létezik 1 bit - ez az információ ábrázolásának vagy tárolásának egysége.A klasszikus bithez hasonlóan definiálhatókvantumbit, ami a kvantuminformáció egysége. Egy klasszikus bit bármely pillanatban két állapot egyikét tárolhatja: nullát vagy egyet. Fizikai szempontból ez egy elektromos jel megléte vagy hiánya. Ahogy a klasszikus esetben, a kvantum esetben is vannak állapotok - 0 és 1. A klasszikus számításokkal ellentétben azonban 1 qubit tárolhatja ezen állapotok szuperpozícióját. Vagyis egy kvantumbit állapotát általában két jellemző vagy két paraméter határozza meg. Az első paraméter a nulla állapot valószínűségéért, a második pedig az első állapot valószínűségéért felelős. A kvantumbit bizonyos szempontból valószínűségi állapot, de klasszikus információ kinyerhető belőle. Ehhez egy speciális műveletet használnak, amelyet mérésnek neveznek.
thecode.media
A kvantum esetben az alapállapotok nem az egyetlen lehetséges állapotok.Van egy állapot is, például plusz vagy mínusz, és meg kell jegyezni, hogy az alapállapot a kvantumbit fizikai megvalósításától függ.
A kvantumszámítás és miben különbözik a klasszikus számítástechnikától
Bármely klasszikus számítás néhány klasszikus transzformáción alapul.Vagyis ezek olyan tevékenységek, amelyeket megtehetünkklasszikus megjelenéssel vállalja. Például a NOT operátor megfordítja egy klasszikus bit értékét. Vagyis ha 0-t kapunk a bemeneten, akkor 1-et kapunk a kimeneten, és fordítva. A kvantumbittel való munkához kvantumtranszformációkat használnak. Van egy különbség, amely elválasztja a kvantumtranszformációkat a klasszikusoktól. A kvantumtranszformációk reverzibilisek. Bármelyik működése megfordítható valamilyen más kvantumtranszformációval. És a klasszikus számításokkal ellentétben a kvantumszámításokhoz egy másik műveletet is meghatározhatunk, amelyet „mérésnek” neveznek. Ezzel a transzformációval klasszikus információt nyerhetünk ki egy kvantumbitből.
miro.medium.com
A kvantum számítógép működését kvantum áramkör, illetve kvantum áramkör segítségével lehet meghatározni.Ha egy klasszikus áramkör klasszikus transzformációkból áll, akkor a kvantumkör kvantumokból áll.
A kvantumszámítás a klasszikus számítástechnikával ellentétben fiatal tudomány, de alkalmazásukra már vannak érdekes példák.Például egy olyan terület, mint a kriptográfia -információvédelmi, optimalizálási problémák jól megoldhatók kvantumszámítógépek segítségével. A klasszikus számítógépekhez hasonló valódi kvantumszámítógép létrehozásával bizonyos problémákat gyorsabban tudunk majd megoldani, mint a klasszikus számítógépek.
Az ultrasűrű kódolás ötlete két klasszikus bit átvitele egy kvantumbit használatával.Miért hívják ezt a kódolástszuper sűrű? Emlékezzünk egy fekete lyukra - ez egyfajta fizikai test, amelynek teljes tömege egyetlen szingularitási pontba omlik. A kvantum esetben azonban minden sokkal prózaibb, adattömörítésről beszélünk, és még csak nem is olyan lenyűgöző - egyszerűen két klasszikus bitet továbbítunk egy qubit segítségével.
Két qubitről azt mondjuk, hogy összefonódott, ha az első qubit klasszikus információinak mérésével vagy kinyerésével pontosan meg tudjuk határozni a második qubit állapotát.Egyszerű példa:Tegyük fel, hogy vannak testvérek, Bob és Alice. Édesanyjuk minden nap reggelire vagy ebédre készít nekik egy edényt. Vagy salátát tesz, vagy sajtos szendvicset. Ráadásul sem Alice, sem Bob nem ismeri a konténer tartalmát, amikor iskolába mennek. És csak amikor iskolába jönnek, kinyitják a tartályaikat: Alice látja a salátát, és már pontosan tudja, mi van Bob tartályában. Egy másik érdekesebb példa egy pár zokni. Tegyük fel, hogy reggel felébredsz és zoknit akarsz felvenni, ha az egyik zoknit a jobb lábadra húzod, biztosan tudni fogod, hogy a második zokni a bal lábadhoz tartozik, vagy a bal zokni lesz. Az ultrasűrű kódolás az összefonódás jelenségén alapul.
A teleportáció a tárgyak fizikai mozgatása egyik helyről a másikra rövid idő alatt.Ezt a jelenséget a kvantumszámításban találták ki,a kvantumfizikában pedig kísérletileg igazolják. Azonban ebben az esetben nem a teljes fizikai testet mozgatjuk, hanem csak egy qubit állapotát. Megjegyzendő, hogy az anyag már kicsi, most meg kell tanulnod, hogyan lehet a fizikai testeket elemi részecskékre bontani, majd kvantumkommunikációs csatornán keresztül történő átvitel után visszarakni belőlük a fizikai testeket. Ez a jelenség is az összefonódás jelenségén alapul.
„Tegyük fel, hogy van egy szovjet kém…”
A következő példa a BB84 protokoll, amely a kriptográfia területéhez tartozik.Tegyük fel, hogy van egy szovjet kémünk,melynek célja a vezérkarral való információcsere. A probléma megoldására több lehetőség is kínálkozik. Az egyik lehetőség egy olyan kulcs használata, amellyel a kém titkosíthatja az üzenetet, a fogadó fél pedig visszafejtheti azt. Két probléma van: hogyan lehet egy adott kulcsot megszerezni, hogy senki ne hamisítsa, másodszor pedig, hogyan cseréljük ki a kulcsot úgy, hogy senki ne tudja elkapni. A BB84 protokoll megoldja ezt a problémát.
Kezdetben a kémnek van valamilyen véletlenszerű bitgenerátora, és véletlenszerű bitek előállítására használja.Kvantumbitként használjákegyetlen foton. Segítségükkel egyetlen fotonba titkosítja vagy tárolja a klasszikus információkat, nevezzük csak qubitnek. Ebben az esetben egy klasszikus bit qubitbe írásakor kétféle bázis használható. Egyetlen foton különböző polarizációit használják bázisként. A művelet egyszerűsítése érdekében nevezzük ezeket az alapokat fehér és sárga alapoknak. Mit jelent ez: Fehérrel és sárgával titkosíthatjuk a 0 és az 1 értéket is. Ha sárga bázist használunk, akkor a foton polarizációja átlós, és a 0 értéket tárolja; ha a bemeneten 1-et kapunk, akkor antidiagonális polarizációt használunk, így ennek segítségével 1-et adunk át. Ha fehér bázist használunk, akkor a 0 állapotot a vízszintes polarizáció segítségével, az 1-et pedig a segítségével továbbítjuk. A kém ezeket az alapokat önkényesen választja: sem ő, sem senki más nem tudja, melyiket választja. Az így létrejövő, bizonyos polarizációjú fotonok a főhadiszállásra kerülnek, amely szintén rendelkezik ezekkel a bázisokkal: segítségükkel megmérik ott a keletkező kvantumbitet. A vezérkar nem tudja, hogy a szovjet kém mely bázisokat használta, ezért véletlenszerűen választják ezeket a bázisokat. De a valószínűségszámítás szempontjából az esetek felében kitalálják ezeket az alapokat. Ezért az esetek körülbelül felében a használt bázisok - és a vett és továbbított klasszikus bitek - egybeesnek. Ezután a vezérkar továbbítja az általa használt bázisokat, a kém pedig beszámol arról, hogy mely pozíciókban történt a mérkőzés. A kinyomott állapotokból kapott karakterlánc lesz a kulcs. Vagyis ha egy kém 1000 bit klasszikus információt küld, akkor a kulcs végül körülbelül 500 karakterből vagy 500 bitből áll.
Van egy harmadik személy, a fiktív Muller, akinek az a célja, hogy lehallgatja a kulcscsere folyamatát.Hogyan csinálja?Tegyük fel, hogy ismeri mindazokat a bázisokat is, amelyeket a kém és a vezérkar használ. Középre kerül és kezdi elfogadni az egyes qubiteket az alapjaival. Ő sem tudja, hogy a szovjet kém melyik bázist használta, és önkényesen választ a sárga és a fehér bázis között. Az esetek 50% -ában kitalálja. Következésképpen a qubitok 50% -a ugyanabban az állapotban távozik, amelyben befogadta őket. Körülbelül 50% -a azonban megváltozott állapotban távozik. Ennek eredményeként, amikor ezeket a kviteket megkapja, a vezérkar pontosan azokat az állapotokat kapja meg, amelyeket csak az esetek negyedében küldtek el, ez elvileg jelzés lesz arra, hogy valaki lehallgatja őket. Ha senki sem hallgatta volna meg őket, akkor a kulcsaik 50% -a megegyezett. Ha azonban valaki lehallgatja őket, akkor a kulcsok csak negyedében egyeznek meg. Ezért az első probléma, amelyet veletek hangoztattunk, az, hogy hogyan lehet pontosan létrehozni egy kulcsot, hogy senki lehallgatás ne oldódjon meg így. Amint megtudják, hogy valaki lehallgatja őket, megváltoztathatják a kommunikációs csatornát. Vagyis más kvantumcsatornát választani. A második probléma: hogyan lehet pontosan kicserélni egy kulcsot, hogy senki ne lehessen elfogni, ebben az esetben magától megoldódik, mivel ebben az esetben nincs kulcscsere-probléma.
Mikor jelennek meg valódi kvantum számítógépek?
Jelenleg a kvantum számítógépek már léteznek, sőt gyakorlatilag ipari célokra is felhasználásra kerülnek.Valójában ezek olyan számítógépek, amelyek valamilyen módona kvantumhatások legkevesebb felhasználása. Ezek a számítógépek a problémák korlátozott körét oldják meg, és főként bizonyos optimalizálási problémák megoldására szolgálnak. Például a d-wave cég a szinte kvantumszámítógépek egyik fejlesztője. A cég ügyfelei között vannak olyan óriáscégek, mint a Google, több autógyártó is használ szinte kvantumszámítógépet.
A mai napig több olyan fejlesztés is ismert, amelyek a valódi kvantumszámítógépek létrehozásában zajlanak.Szó szerint egy éve fejlesztették kikét qubittel működő kvantumszámítógép kísérleti modellje. Ezek a kvantumszámítógépek szintén nem alkalmasak valós problémák megoldására, de fontos megjegyezni, hogy munkájuk jól mutatja azoknak az elveknek a működését, amelyeken a kvantumszámítógépek elméletileg alapulnak.
2019-ben bemutattak egy kvantum számítógépet, amely 20 quitből állt és együtt dolgozott.Ezt a számítógépet kizárólag arra használjákbizonyítja, hogy a kvantumszámítás alapelvei működnek. Ez a modern világban például két megabájt RAM-hoz hasonlítható, vagyis elvileg semmiség.
Vannak olyan hipotézisek, amelyek szerint a kvantumösszefonódás és a féreglyukak jelensége egy és ugyanaz a jelenség.Sőt, maguk a féregjáratok is alapulnakolyan jelenségről, mint a kvantum összefonódás. Ez arra utal, hogy a jövőben opcióként már mesterségesen lehet féreglyukakat létrehozni. Vagyis összefonódnak egymással néhány kvantumbitet.
Hogyan mérjük meg a kvantumbitet
Három nézet létezik a kvantumbit mérésére vonatkozóan.Az első pillantás a koppenhágai elmélet,a mérési folyamat klasszikus nézete. Azt mondja, hogy a mérés segítségével egy bizonyos klasszikus eredményt kapva befolyásoljuk a mért qubitet. Ha egy elektron összefüggésében vesszük figyelembe, akkor az elektron mérése egy bizonyos hullám formájában van ábrázolva - vagyis ez egy bizonyos hullámfüggvény. De a mérés oda vezet, hogy az adott hullámfüggvény összeomlik, és máris részecskével van dolgunk. Fontos megemlíteni a Heisenberg-bizonytalanságot, amely kijelenti: hogy a hullámfüggvényről és az elektron helyéről egyszerre nem tudhatunk. Vagyis ha megmérünk egy elektront, elveszítjük a hullámfüggvény jellemzőit. Ezzel szemben a hullámfüggvény jellemzőinek ismeretében nem tudjuk meghatározni az elektron helyét.
A második nézet David Bohm elmélete, amely szerint egyszerűen nincs minden információnk a rendszerről, de a valóságban mind a mérés előtt, mind a mérés után a hullámfüggvény nem tűnik el sehol.Egyszerűen van néhány rejtett paraméter, amit minem tudjuk. Ezen további jellemzők ismeretében pedig mind az elektron pontos helyét, mind a hullámfüggvények jellemzőit megállapíthatjuk. Ez egy közönséges érme feldobásához hasonlítható. Ha klasszikus szemszögből nézzük, akkor az érmefeldobás véletlenszerű folyamatnak számít, vagyis az eredmény nem jósolható meg. Fizikai szempontból azonban néhány további jellemző ismeretében pontosan meghatározhatjuk, hogy az érme melyik oldalára esik. Például a becsapódás kezdeti ereje vagy a légellenállás ereje stb.
És a mérési folyamat harmadik megközelítése a több világ elmélete.Ezt az elméletet fejezte ki Hugh Everett.Azt mondja, hogy a mérés során a fizikai világ egyfajta megosztása történik. És az általunk megfigyelt hiposztázis, az elektron helye csak a mi világunkban valós. Ezzel párhuzamosan más világok jönnek létre, amelyekben az elektron újabb hiposztázisa valós. Everett elméletének fejlesztése során a kvantumszámítás egyik megalkotója egyszer azt mondta, hogy így maga az Univerzum egyfajta kvantumszámítógép, és számításokat végez.
A kvantum utáni kriptográfia megjelenésének oka egy elméleti kvantum algoritmus volt, amely lehetővé teszi a meglévő titkosítási rendszerek feltörését.Ezek egyike sokak biztonságának alapjaInternet banking, valamint a weboldal titkosításának alapja. Tegyük fel, hogy van egy szovjet kém, akinek az a célja, hogy információkat továbbítson a vezérkarnak, és van egy harmadik fél, aki mindezt lehallgathatja. Korábban az egyetlen kulccsal történő titkosítást vizsgáltuk, de ebben az esetben más módszert javasolunk. Létezik az RSA protokoll, amelynek célja a következő: két kulcs generálódik - egy nyilvános és egy privát kulcs; A privát kulcs a fogadott üzenet visszafejtésére, a nyilvános kulcs pedig a titkosításra szolgál. Ez a protokoll lehetővé teszi ennek az algoritmusnak a megvalósítását, azaz nyilvános és privát kulcsok létrehozását.
A 20. század végén Peter Shor új algoritmust javasolt az RSA algoritmus magjának megtörésére.Ez az algoritmus teljesen kvantum, ésezért egy valóban működő kvantumszámítógép megjelenése lehetővé teszi a modern biztonsági rendszerek feltörését. Ennek eredményeként egy új tudomány jelent meg, amely új algoritmusokat keres annak érdekében, hogy a titkosítási módszereket ellenállóvá tegye a kvantumszámítógép általi feltöréssel szemben.
Lásd még:
Létrehozták az első pontos világtérképet. Mi a baj mindenki mással?
Az éghajlatváltozás elmozdította a Föld tengelyét
A NASA elmondta, hogyan szállítják a Mars mintáit a Földre