Perché la fisica quantistica dovrebbe temere?
"Se la fisica quantistica non ti spaventa, non la capisci".
Alla fine del XX secolo, molti ricercatori si resero conto che la fisica quantistica poteva essere utilizzata per creare un nuovo tipo di computer.Possiamo dire che i ricercatori che si occupano delle problematiche dell'informatica quantistica stanno preparando una base teorica per il teletrasporto, i viaggi nel tempo o verso mondi paralleli.
Nel contesto dell'informatica classica, esiste una cosa come 1 bit: questa è un'unità di rappresentazione o memorizzazione delle informazioni.Analogamente a un bit classico, è possibile definire un bit quantistico, che è un'unità di informazione quantistica.Un pezzo classico può memorizzare ogni momentoDa un punto di vista fisico, è la presenza o l'assenza di un segnale elettrico.Come nel caso classico, ci sono stati di 0 e 1 nel caso quantistico.Ma, a differenza dell'informatica classica, 1 qubit puòIn altre parole, lo stato di un bit quantistico è generalmente determinato da due caratteristiche o due parametri.Il primo parametro è responsabile della probabilità dello stato zero e il secondo parametro è responsabile della probabilità del primo stato.Una battaglia quantistica è una sorta di stato probabilistico, ma è possibile estrarre informazioni classiche da esso.Per fare ciò, viene utilizzata un'operazione speciale chiamata misurazione.
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Gli stati base nel caso quantistico non sono gli unici stati possibili.C'è anche uno stato, ad esempio, più o meno, e va notato che lo stato di base dipende daldall'implementazione fisica del bit quantistico.
L'informatica quantistica e come si differenzia dall'informatica classica
Tutti i calcoli classici si basano su alcune trasformazioni classiche.Cioè, queste sono alcune azioni che possiamo intraprendere con un look classico.Ad esempio, l'operatore NON inverte il valore di un bit classico.Cioè, se otteniamo 0 all'input, otteniamo 1 all'output e viceversa.Le trasformazioni quantistiche vengono utilizzate per lavorare con un bit quantistico.Le trasformazioni quantistiche sono reversibili.L'azione di uno qualsiasi di essi può essere invertita da un'altra trasformazione quantistica.E, a differenza dell'informatica classica, per l'informatica quantistica è possibile definire un'altra operazione chiamata "misurazione".Con questa trasformazione, possiamo estrarre l'informazione classica da un bit quantistico.
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Il funzionamento di un computer quantistico può essere determinato utilizzando, rispettivamente, un circuito quantistico.Se un circuito classico è costituito da trasformazioni classiche, un circuito quantistico è costituito da trasformazioni quantistiche.
L'informatica quantistica, a differenza dell'informatica classica, è una scienza giovane, ma ci sono già esempi interessanti della loro applicazione.Ad esempio, un campo come la crittografia, la protezione delle informazioni, i problemi di ottimizzazione sono ben risolti con l'aiuto dei computer quantistici.Creando un vero e proprio computer quantistico paragonabile ai computer classici, saremo in grado di risolvere alcuni problemi più velocemente dei computer classici.
L'idea alla base della codifica ultra-densa è quella di utilizzare un singolo bit quantistico per trasmettere due bit classici.Ricordiamo un buco nero, un corpo fisico la cui intera massa collassa in un unico punto di singolarità.Tuttavia, nel caso quantistico, tutto è molto più prosaico, stiamo parlando di compressione dei dati, e anche non così impressionante: solo il trasferimento di due bit classici utilizzando un qubit.
Si dice che due qubit sono entangled se, misurando o estraendo informazioni classiche dal primo qubit, possiamo determinare con precisione lo stato del secondo qubit.Un semplice esempio: diciamo che ci sono fratelli, la sorella Bob e Alice.Ogni giorno, a colazione o a pranzo, la madre prepara per loro un contenitoreMette un'insalata o un panino al formaggio.Allo stesso tempo, né Alice né Bob sanno quando escono per andare a scuolaE solo quando arrivano a scuola aprono i loro contenitori: Alice vedee sa già esattamente cosa c'è nel contenitore di Bob.Diciamo che ti svegli la mattina e vuoi metterti i calzini, mettendo uno dei calzini sul piede destro, saprai per certo che l'altro calzino ti appartiene.La codifica ultra-densa si basa sul fenomeno dell'entanglement.
Il teletrasporto è il movimento fisico di oggetti da un luogo all'altro in un breve periodo di tempo.Tale fenomeno è stato inventato nell'informatica quantistica e dimostrato sperimentalmente nella fisica quantistica.In questo caso, però, non stiamo muovendo l'intero corpo fisico, ma solo lo stato di un qubit.Si può notare che c'è solo una cosa rimasta da fare, ora è necessario imparare a dividere i corpi fisici in particelle elementari, e poi, dopo la trasmissione con l'aiuto di un canale di comunicazione quantistica, riassemblare i corpi fisici da essi.Questo fenomeno si basa anche sul fenomeno dell'entanglement.
"Diciamo che c'è una spia sovietica..."
Il prossimo esempio è il protocollo BB84, che appartiene al campo della crittografia.Supponiamo di avere una spia sovietica il cui scopo è quello di scambiare informazioni con lo Stato Maggiore.Un'opzione è quella di utilizzare una chiave che la spia può utilizzare per crittografare il messaggio e la parte ricevente per decrittografarlo.Ci sono due problemi: come ottenere una determinata chiave in modo che nessuno possa falsificarla e, in secondo luogo, come scambiare la chiave in modo tale che nessuno possa intercettarla.Il protocollo BB84 risolve questo problema.
All'inizio, la spia ha una sorta di generatore di bit casuali e lo usa per generare bit casuali.Utilizza come bit quantisticosingoli fotoni. Con il loro aiuto, crittografa o memorizza le informazioni classiche in un singolo fotone, chiamiamolo semplicemente qubit. In questo caso, quando si scrive un bit classico in un qubit, è possibile utilizzare due tipi di basi. Come basi vengono utilizzate diverse polarizzazioni di un singolo fotone. Per semplificare l'azione, chiameremo queste basi basi bianche e gialle. Cosa significa: con il bianco e il giallo possiamo crittografare sia il valore 0 che il valore 1. Se usiamo una base gialla, la polarizzazione del fotone è diagonale e memorizzerà il valore 0; se riceviamo 1 in ingresso, allora viene utilizzata la polarizzazione antidiagonale e, quindi, con essa trasmettiamo 1. Se viene utilizzata una base bianca, lo stato 0 viene trasmesso utilizzando la polarizzazione orizzontale e 1 utilizzando la polarizzazione verticale. La spia sceglie queste basi arbitrariamente: né lui, né nessun altro, sa quale sceglierà. I fotoni risultanti con una certa polarizzazione vengono trasmessi al quartier generale, che dispone anche di queste basi: con il loro aiuto, lì viene misurato il bit quantico risultante. Lo Stato Maggiore Generale non sa quali basi ha utilizzato la spia sovietica, quindi sceglie queste basi a caso. Ma, dal punto di vista della teoria della probabilità, nella metà dei casi indovineranno queste basi. E, quindi, in circa la metà dei casi, le basi utilizzate – e i bit classici ricevuti e trasmessi – coincideranno. Successivamente, lo Stato Maggiore trasmette le basi utilizzate e la spia, a sua volta, riferisce in quali posizioni è avvenuta la partita. La stringa ottenuta dagli stati compressi diventa la chiave. Cioè, se una spia invia 1.000 bit di informazioni classiche, alla fine la chiave sarà di circa 500 caratteri o 500 bit.
Esiste una terza persona, il fittizio Muller, il cui obiettivo è origliare il processo di scambio delle chiavi.Come lo fa?Supponiamo che conosca anche tutte quelle basi utilizzate dalla spia e dallo stato maggiore. Si trova nel mezzo e inizia ad accettare singoli qubit con le sue basi. Anche lui non sa quali basi ha usato la spia sovietica e sceglie arbitrariamente tra le basi gialle e bianche. Nel 50% dei casi, indovina. Di conseguenza, il 50% dei qubit lascerà nello stesso stato in cui è stato ricevuto. Tuttavia, circa il 50% partirà in uno stato modificato. Di conseguenza, quando riceve questi qubit, lo staff generale riceverà esattamente gli stati che sono stati inviati solo in un quarto dei casi, in linea di principio, questo sarà un segnale che qualcuno li sta intercettando. Se nessuno li avesse sentiti, il 50% delle loro chiavi corrisponderebbe. Tuttavia, se qualcuno li origlia, solo un quarto delle volte le chiavi corrisponderanno. Pertanto, il primo problema che abbiamo espresso con te è che come generare esattamente una chiave in modo che nessuno possa origliare sarà risolto in questo modo. Non appena scoprono che qualcuno li sta intercettando, possono cambiare canale di comunicazione. Cioè, scegliere un canale quantico diverso. Il secondo problema: come scambiare esattamente una chiave in modo che nessuno possa intercettarla, in questo caso si risolve da solo, poiché in questo caso non c'è alcun problema di scambio di chiavi.
Quando appariranno i veri computer quantistici?
Al momento, i computer quantistici esistono già e vengono utilizzati praticamente anche a livello industriale.In realtà, questi sono computer che in qualche modominor utilizzo degli effetti quantistici. Questi computer risolvono una gamma limitata di problemi e vengono utilizzati principalmente per risolvere alcuni problemi di ottimizzazione. Ad esempio, la società d-wave è uno degli sviluppatori di computer quasi quantistici. Tra i clienti di questa azienda ci sono giganti come Google; anche diverse case automobilistiche utilizzano computer quasi quantistici.
Ad oggi sono già noti diversi sviluppi che si stanno realizzando nella creazione di veri e propri computer quantistici.Letteralmente un anno fa è stato sviluppatomodello sperimentale di un computer quantistico che funziona con due qubit. Anche questi computer quantistici non sono adatti a risolvere problemi reali, ma è importante notare che il loro lavoro dimostra bene il funzionamento dei principi su cui si basano teoricamente i computer quantistici.
Nel 2019 è stato presentato un computer quantistico, composto e funzionante con 20 qubit.Questo computer è utilizzato esclusivamente perdimostrando che i principi del calcolo quantistico funzionano. Questo può essere paragonato, ad esempio, a due megabyte di RAM nel mondo moderno, cioè in linea di principio non è niente.
Ora ci sono ipotesi secondo cui l'entanglement quantistico e il fenomeno dei wormhole sono lo stesso fenomeno.Inoltre, si basano i wormhole stessisu un fenomeno come l'entanglement quantistico. Ciò suggerisce che in futuro, come opzione, sarà possibile creare wormhole già artificialmente. Cioè, intrecciare alcuni bit quantici tra loro.
Come misurare il bit quantistico
Esistono tre punti di vista sulla misurazione di un bit quantistico.Il primo sguardo è la teoria di Copenaghen,una visione classica del processo di misurazione. Dice che con l'aiuto della misurazione, noi, ricevendo un certo risultato classico, influenziamo il qubit misurato. Se consideriamo nel contesto di un elettrone, la misurazione di un elettrone è rappresentata sotto forma di una certa onda, cioè è una certa funzione d'onda. Ma la misurazione porta al fatto che la data funzione d'onda collassa e abbiamo già a che fare con una particella. È importante menzionare l'incertezza di Heisenberg, che afferma: che non possiamo conoscere contemporaneamente la funzione d'onda e la posizione dell'elettrone. Cioè, se misuriamo un elettrone, perderemo le caratteristiche della funzione d'onda. Viceversa, conoscendo le caratteristiche della funzione d'onda, non possiamo determinare la posizione dell'elettrone.
La seconda visione è la teoria di David Bohm, che afferma che semplicemente non abbiamo tutte le informazioni sul sistema, ma in realtà sia prima della misurazione, sia dopo la misurazione, la funzione d'onda non scompare da nessuna parte.Ci sono semplicemente alcuni parametri nascosti che noinon lo sappiamo. E conoscendo queste caratteristiche aggiuntive, possiamo stabilire sia l'esatta posizione dell'elettrone sia le caratteristiche delle funzioni d'onda. Questo può essere paragonato al lancio di una normale moneta. Se lo consideriamo da un punto di vista classico, il lancio di una moneta è considerato un processo casuale, ovvero il risultato non può essere previsto. Tuttavia, dal punto di vista della fisica, possiamo determinare con precisione, conoscendo alcune caratteristiche aggiuntive, su quale lato cadrà la moneta. Ad esempio, la forza iniziale dell'impatto o la forza della resistenza dell'aria e così via.
E un terzo modo di guardare al processo di misurazione è la teoria dei mondi multipli.Questa teoria è stata espressa da Hugh Everett.Dice che quando si misura, si verifica una sorta di scissione del mondo fisico. E l'ipostasi che osserviamo, la posizione dell'elettrone, è reale solo nel nostro mondo. Parallelamente si creano altri mondi in cui un'altra ipostasi dell'elettrone è reale. Sviluppando la teoria di Everett, uno dei creatori dell'informatica quantistica una volta disse che, quindi, l'Universo stesso è una specie di computer quantistico ed esegue calcoli.
Il motivo dell'emergere della crittografia post-quantistica è stato un algoritmo quantistico teorico che consente di decifrare i sistemi di crittografia esistenti.Uno di questi è la base per la sicurezza di moltiInternet banking e base per la crittografia dei siti web. Supponiamo che ci sia una spia sovietica il cui obiettivo è trasmettere informazioni allo stato maggiore e che ci sia una terza persona che può origliare tutto questo. In precedenza abbiamo esaminato la crittografia utilizzando un'unica chiave, ma in questo caso particolare viene proposto un metodo diverso. Esiste il protocollo RSA, il cui scopo è il seguente: vengono generate due chiavi: una pubblica e una privata; La chiave privata viene utilizzata per decrittografare il messaggio ricevuto e la chiave pubblica viene utilizzata per crittografarlo. Questo protocollo consente di implementare questo algoritmo, ovvero creare chiavi pubbliche e private.
Alla fine del XX secolo, Peter Shor propose un nuovo algoritmo per rompere il nucleo dell'algoritmo RSA.Questo algoritmo è completamente quantistico e,pertanto, l'emergere di un computer quantistico realmente funzionante consentirà di hackerare i moderni sistemi di sicurezza. Di conseguenza, è emersa una nuova scienza che sta esaminando nuovi algoritmi per rendere i metodi di crittografia resistenti al cracking da parte di un computer quantistico.
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