מדוע פיזיקה קוונטית צריכה לפחד
"אם פיזיקת הקוונטים לא מפחידה אותך, אז אתה לא מבין את זה"
בסוף המאה ה-20, חוקרים רבים הבינו שניתן להשתמש בפיזיקה קוונטית כדי ליצור סוג חדש של מחשב.אנו יכולים לומר כי חוקרים העוסקים בסוגיות המחשוב הקוונטי מכינים בסיס תיאורטי לטלפורטציה, למסע בזמן או לעולמות מקבילים.
בהקשר של מחשוב קלאסי, יש דבר כזה ביט 1 - זו יחידת ייצוג או אחסון של מידע.בדומה למעט הקלאסי, אפשר להגדירסיביות קוונטית, שהיא יחידה של מידע קוונטי. ביט קלאסי אחד יכול לאחסן אחד משני מצבים בכל זמן נתון: אפס או אחד. מנקודת מבט פיזית, זוהי נוכחות או היעדר אות חשמלי. כמו במקרה הקלאסי, במקרה הקוונטי ישנם מצבים - 0 ו-1. אבל, בניגוד לחישובים קלאסיים, 1 קיוביט יכול לאחסן סופרפוזיציה של המצבים הללו. כלומר, המצב של סיבית קוונטית נקבע בדרך כלל על ידי שני מאפיינים, או שני פרמטרים. הפרמטר הראשון אחראי על ההסתברות למצב אפס, והשני אחראי על ההסתברות של המצב הראשון. סיבית קוונטית היא במובנים מסוימים מצב הסתברותי, אך ניתן להפיק ממנו מידע קלאסי. לשם כך, נעשה שימוש בפעולה מיוחדת הנקראת מדידה.
thecode.media
מצבי בסיס במקרה הקוונטי אינם המצבים היחידים האפשריים.יש גם מצב, למשל, פלוס או מינוס, ויש לציין שהמצב הבסיסי תלוי ביישום הפיזי של הסיבית הקוונטית.
מחשוב קוונטי ואיך זה שונה ממחשוב קלאסי
כל חישובים קלאסיים מבוססים על כמה טרנספורמציות קלאסיות.כלומר, אלו כמה פעולות שאנחנו יכוליםלהתחייב עם מראה קלאסי. לדוגמה, האופרטור NOT הופך את הערך של סיביות קלאסית. כלומר, אם נקבל 0 בקלט, אז נקבל 1 במוצא, ולהיפך. כדי לעבוד עם סיביות קוונטיות, משתמשים בטרנספורמציות קוונטיות. יש הבדל אחד שמפריד בין טרנספורמציות קוונטיות לקלאסיות. טרנספורמציות קוונטיות הן הפיכות. ניתן להפוך את הפעולה של כל אחד מהם באמצעות טרנספורמציה קוונטית אחרת. ובניגוד לחישובים קלאסיים, לחישובים קוונטיים ניתן להגדיר פעולה נוספת הנקראת "מדידה". בעזרת טרנספורמציה זו אנו יכולים לחלץ מידע קלאסי מסיבית קוונטית.
miro.medium.com
ניתן לקבוע את פעולתו של מחשב קוונטי באמצעות, בהתאמה, מעגל קוונטי.אם מעגל קלאסי מורכב מתמורות קלאסיות, אז מעגל קוונטי מורכב מתמורות קוונטיות.
מחשוב קוונטי, שלא כמו מחשוב קלאסי, הוא מדע צעיר, אך ישנן כבר דוגמאות מעניינות ליישומם.לדוגמה, אזור כמו קריפטוגרפיה -הגנת מידע, בעיות אופטימיזציה נפתרות היטב באמצעות מחשבים קוונטיים. על ידי יצירת מחשב קוונטי אמיתי הדומה למחשבים קלאסיים, נוכל לפתור כמה בעיות מהר יותר ממחשבים קלאסיים.
הרעיון של קידוד צפוף במיוחד הוא להעביר שני ביטים קלאסיים באמצעות סיבית קוונטית אחת.למה קוראים לקידוד הזהסופר צפוף? בואו נזכור חור שחור - זהו סוג של גוף פיזי, שכל המסה שלו קורסת לנקודת ייחוד אחת. עם זאת, במקרה הקוונטי, הכל הרבה יותר פרוזאי, אנחנו מדברים על דחיסת נתונים, ואפילו לא כל כך מרשים - פשוט העברת שני ביטים קלאסיים באמצעות קיוביט אחד.
אומרים ששני קיוביטים מסתבכים אם, על ידי מדידה או חילוץ של מידע קלאסי מהקיוביט הראשון, נוכל לקבוע במדויק את מצב הקיוביט השני.דוגמה פשוטה:נניח שיש אח ואחות בוב ואליס. כל יום לארוחת בוקר או צהריים, אמא מכינה להם מיכל אוכל. היא שמה סלט או כריך גבינה. יתרה מכך, לא אליס ולא בוב יודעים את תכולת המיכל כשהם הולכים לבית הספר. ורק כשהם מגיעים לבית הספר, הם פותחים את המיכלים שלהם: אליס רואה את הסלט, וכבר יודעת בדיוק מה יש במיכל של בוב. דוגמה נוספת מעניינת יותר היא זוג גרביים. נניח שאתה מתעורר בבוקר ורוצה לגרוב גרביים, על ידי הנחת אחת מהגרביים על רגל ימין תדע בוודאות שהגרב השני שייך לרגל שמאל שלך או שתהיה הגרב השמאלית. קידוד צפוף במיוחד מבוסס על תופעת ההסתבכות.
טלפורטציה היא תנועה פיזית של עצמים ממקום אחד למשנהו בפרק זמן קצר.תופעה זו הומצאה במחשוב קוונטי,ובפיזיקת הקוונטים זה מודגם בניסוי. עם זאת, במקרה זה אנחנו לא מזיזים את כל הגוף הפיזי, אלא רק את המצב של קיוביט אחד. ניתן לציין שהעניין כבר קטן עכשיו אתה צריך ללמוד איך לפצל גופים פיזיים לחלקיקים אלמנטריים, ולאחר מכן, לאחר שידור באמצעות ערוץ תקשורת קוונטי, להרכיב מהם גופים פיזיים. תופעה זו מבוססת גם על תופעת ההסתבכות.
"בוא נגיד שיש מרגל סובייטי…"
הדוגמה הבאה היא פרוטוקול BB84, השייך לתחום ההצפנה.נניח שיש לנו מרגל סובייטי מסוים,שמטרתם החלפת מידע עם הצוות הכללי. ישנן מספר אפשרויות לפתרון בעיה זו. אפשרות אחת היא להשתמש במפתח שהמרגל יכול להשתמש בו כדי להצפין את ההודעה והצד המקבל לפענח אותה. ישנן שתי בעיות: איך להשיג מפתח נתון כך שאף אחד לא יוכל לזייף אותו, ושנית, איך להחליף את המפתח בצורה כזו שאף אחד לא יוכל ליירט אותו. פרוטוקול BB84 פותר בעיה זו.
בתחילת הדרך, למרגל יש איזשהו מחולל סיביות אקראי ומשתמש בו לייצור סיביות אקראיות.הוא משמש כסיבית קוונטיתפוטונים בודדים. בעזרתם, הוא מצפין או מאחסן מידע קלאסי בפוטון בודד, בואו פשוט נקרא לזה קיוביט. במקרה זה, בעת כתיבת סיביות קלאסית לתוך קיוביט, ניתן להשתמש בשני סוגים של בסיסים. קיטובים שונים של פוטון בודד משמשים כבסיסים. כדי לפשט את הפעולה, בואו נקרא לבסיסים הללו הבסיסים הלבנים והצהובים. מה זה אומר: עם לבן וצהוב, נוכל להצפין גם את הערך 0 וגם את הערך 1. אם נשתמש בבסיס צהוב, אז הקיטוב של הפוטון הוא אלכסוני, והוא יאחסן את הערך 0; אם נקבל 1 בכניסה, נעשה שימוש בקיטוב אנטי-אלכסוני, ולכן, אנו משדרים 1 באמצעותו, אם נעשה שימוש בבסיס לבן, אזי המצב 0 מועבר באמצעות קיטוב אופקי, ו-1 באמצעות קיטוב אנכי הבסיסים האלה באופן שרירותי: לא הוא, ולא אף אחד אחר, יודע באיזה מהם יבחר. הפוטונים המתקבלים עם קיטוב מסוים מועברים למפקדה הכללית, שגם לה יש את הבסיסים האלה: בעזרתם נמדדת שם הסיבית הקוונטית המתקבלת. המטה הכללי אינו יודע באילו בסיסים השתמש המרגל הסובייטי, ולכן הם בוחרים באקראי את הבסיסים הללו. אבל, מנקודת המבט של תורת ההסתברות, במחצית מהמקרים הם ינחשו את הבסיסים הללו. ולכן, בכמחצית מהמקרים, הבסיסים שבהם נעשה שימוש - והסיביות הקלאסיות המתקבלות והמשודרות - יתאימו. לאחר מכן, המטכ"ל מעביר את הבסיסים שבהם השתמש, והמרגל, בתורו, מדווח באילו עמדות התרחש המשחק. המיתר שהתקבל מהמצבים הסחוטים הופך למפתח. כלומר, אם מרגל שולח 1,000 ביטים של מידע קלאסי, אז בסופו של דבר המפתח יהיה בערך 500 תווים, או 500 ביטים.
ישנו אדם שלישי, מולר הפיקטיבי, שמטרתו לצותת לתהליך החלפת המפתחות.איך הוא עושה את זה?נניח שהוא מכיר גם את כל אותם בסיסים המשמשים את המרגל והצוות הכללי. זה נכנס לאמצע ומתחיל לקבל קווביטים בודדים עם בסיסיו. גם הוא לא יודע באילו בסיסים השתמש המרגל הסובייטי, ובוחר באופן שרירותי בין הבסיס הצהוב ללבן. ב -50% מהמקרים, הוא מנחש. כתוצאה מכך, 50% מהקוביטים יעזבו באותו מצב בו התקבלו. עם זאת, כ -50% יעזבו במצב שונה. כתוצאה מכך, בעת קבלת הקוביטים הללו, הצוות הכללי יקבל בדיוק את המדינות שנשלחו רק ברבע מהמקרים, באופן עקרוני זה יהיה אות שמישהו מצותת להן. אם איש לא שמע אותם, אז 50% מהמפתחות שלהם יתאימו. עם זאת, אם מישהו מצותת להם, רק רבע מהזמן המפתחות יתאימו. לכן, הבעיה הראשונה שהשמענו איתך היא שכיצד בדיוק ליצור מפתח כך שאף אחד לא צותות ייפתר בדרך זו. ברגע שהם יגלו שמישהו מצותת להם, הם יכולים לשנות את ערוץ התקשורת. כלומר, לבחור ערוץ קוונטי אחר. הבעיה השנייה: איך בדיוק להחליף מפתח כדי שאף אחד לא יוכל ליירט, במקרה זה נפתר מעצמו, מכיוון שאין בעיה להחליף מפתח במקרה זה.
מתי יופיעו מחשבים קוונטיים אמיתיים?
כרגע מחשבים קוונטיים כבר קיימים ואף משתמשים בהם באופן תעשייתי.למעשה, אלו הם מחשבים שבדרך כלשהילפחות שימוש בהשפעות קוונטיות. מחשבים אלו פותרים מגוון מצומצם של בעיות ומשמשים בעיקר לפתרון כמה בעיות אופטימיזציה. כך למשל, חברת d-wave היא מהמפתחים של מחשבים כמעט קוונטיים. בין הלקוחות של החברה הזו יש ענקיות כמו גוגל כמה יצרניות רכב משתמשות גם הן במחשבים קוונטיים.
עד היום כבר ידועים כמה פיתוחים שמתבצעים ביצירת מחשבים קוונטיים אמיתיים.ממש לפני שנה זה פותחמודל ניסיוני של מחשב קוונטי שעובד עם שני קיוביטים. מחשבים קוונטיים אלו גם אינם מתאימים לפתרון בעיות אמיתיות, אך חשוב לציין שעבודתם מדגימה היטב את פעולת העקרונות עליהם מבוססים מחשבים קוונטיים תיאורטית.
בשנת 2019 הוצג מחשב קוונטי המורכב ועבד עם 20 קוביות.מחשב זה משמש אך ורק עבורלהדגים שעקרונות המחשוב הקוונטי עובדים. אפשר להשוות את זה לשני מגה בייט, למשל, של זיכרון RAM בעולם המודרני, כלומר, באופן עקרוני, זה כלום.
כעת יש השערות שהסתבכות קוונטית ותופעת חורי התולעת הן תופעה אחת ויחידה.יתר על כן, חורי תולעת עצמם מבוססיםעל תופעה כזו כמו הסתבכות קוונטית. זה מצביע על כך שבעתיד, כאופציה, ניתן יהיה ליצור חורי תולעת כבר באופן מלאכותי. כלומר, להסתבך כמה ביטים קוונטיים זה עם זה.
כיצד למדוד את הסיבית הקוונטית
ישנן שלוש השקפות על מדידת סיביות קוונטיות.המבט הראשון הוא תיאוריית קופנהגן,מבט קלאסי על תהליך המדידה. זה אומר שבעזרת המדידה אנו, המקבלים תוצאה קלאסית מסוימת, משפיעים על הקוביט הנמדד. אם ניקח בחשבון את זה בהקשר של אלקטרון, אז המדידה של אלקטרון מיוצגת בצורה של גל מסוים - כלומר זוהי פונקציית גל מסוימת. אך המדידה מובילה לעובדה שפונקציית הגל הנתונה קורסת, וכבר אנו מתמודדים עם חלקיק. חשוב להזכיר את חוסר הוודאות של הייזנברג, הקובע: כי איננו יכולים לדעת על פונקציית הגל ומיקום האלקטרון בו זמנית. כלומר, אם נמדוד אלקטרון, נאבד את המאפיינים של פונקציית הגל. לעומת זאת, בידיעת המאפיינים של פונקציית הגל, איננו יכולים לקבוע את מיקום האלקטרון.
ההשקפה השנייה היא התיאוריה של דיוויד בוהם, האומרת שפשוט אין לנו את כל המידע על המערכת, אך במציאות הן לפני המדידה והן לאחר המדידה, פונקציית הגל אינה נעלמת לשום מקום.יש פשוט כמה פרמטרים נסתרים שאנחנואנחנו לא יודעים. ובהכרת המאפיינים הנוספים הללו, נוכל לקבוע הן את המיקום המדויק של האלקטרון והן את המאפיינים של פונקציות הגל. אפשר להשוות זאת להטלת מטבע רגיל. אם ניקח בחשבון את זה מנקודת מבט קלאסית, הטלת מטבע נחשבת לתהליך אקראי, כלומר, לא ניתן לחזות את התוצאה. עם זאת, מנקודת המבט של הפיזיקה, אנו יכולים לקבוע במדויק, בידיעה של כמה מאפיינים נוספים, באיזה צד ייפול המטבע. למשל, כוח הפגיעה הראשוני או כוח התנגדות האוויר וכן הלאה.
ודרך שלישית להסתכל על תהליך המדידה היא תיאוריית העולמות המרובים.תיאוריה זו באה לידי ביטוי על ידי יו אוורט.זה אומר שכאשר מודדים מתרחש מעין פיצול של העולם הפיזי. וההיפוסטאזיס שאנו צופים בו, מיקום האלקטרון, אמיתי רק בעולמנו. במקביל, נוצרים עולמות אחרים בהם היפוסטאזיס נוסף של האלקטרון הוא אמיתי. בפיתוח התיאוריה של אוורט, אמר פעם אחד מיוצרי המחשוב הקוונטי, לפיכך, היקום עצמו הוא מעין מחשב קוונטי ומבצע חישובים.
הסיבה להופעתה של הצפנה לאחר הקוונטים הייתה אלגוריתם קוונטי תיאורטי המאפשר לכם לפצח מערכות הצפנה קיימות.אחד מהם הוא הבסיס לביטחון של רביםבנקאות באינטרנט, כמו גם הבסיס להצפנת אתרים. נניח שיש מרגל סובייטי שמטרתו להעביר מידע למטה הכללי, ויש צד שלישי שיכול לצותת לכל זה. בעבר בדקנו הצפנה באמצעות מפתח בודד, אך במקרה הספציפי הזה מוצעת שיטה אחרת. ישנו פרוטוקול RSA, שמטרתו היא כדלקמן: נוצרים שני מפתחות - מפתח ציבורי ופרטי; המפתח הפרטי משמש לפענוח ההודעה שהתקבלה, והמפתח הציבורי משמש להצפנתה. פרוטוקול זה מאפשר לך ליישם אלגוריתם זה, כלומר ליצור מפתחות ציבוריים ופרטיים.
בסוף המאה העשרים הוצע אלגוריתם חדש על ידי פיטר שור לשבור את ליבת האלגוריתם של RSA.האלגוריתם הזה הוא קוונטי לחלוטין, ו,לכן, הופעתו של מחשב קוונטי עובד באמת תאפשר לפרוץ למערכות אבטחה מודרניות. כתוצאה מכך, צץ מדע חדש שבוחן אלגוריתמים חדשים כדי להפוך שיטות הצפנה לעמידות בפני פיצוח על ידי מחשב קוונטי.
ראה גם:
המפה המדויקת הראשונה של העולם נוצרה. מה רע בכולם?
שינויי אקלים העבירו את ציר כדור הארץ
נאס"א סיפרה כיצד הם יעבירו דגימות של מאדים לכדור הארץ