量子物理学が恐れるべき理由
「量子物理学が怖くないなら、それは理解していないということです。」
20世紀末、多くの研究者が量子物理学を使って新しい種類のコンピュータを作れることに気付きました。量子コンピューティングの問題を扱っている研究者たちは、テレポーテーション、タイムトラベル、またはパラレルワールドの理論的基礎を準備していると言えます。
古典的なコンピューティングのコンテキストでは、1ビットのようなものがあります-これは情報の表現またはストレージの単位です。古典的なビットと同様に、次のように定義できます。量子情報の単位である量子ビット。 1 つの古典的なビットは、いつでも 2 つの状態 (0 または 1) のいずれかを保存できます。物理的な観点から見ると、これは電気信号の有無です。古典的な場合と同様に、量子の場合にも状態 0 と 1 があります。しかし、古典的な計算とは異なり、1 量子ビットはこれらの状態の重ね合わせを保存できます。つまり、量子ビットの状態は一般に 2 つの特性、または 2 つのパラメータによって決定されます。最初のパラメータはゼロ状態の確率を担当し、2 番目のパラメータは最初の状態の確率を担当します。量子ビットはある意味確率的な状態ですが、そこから古典的な情報を抽出することができます。これを行うには、測定と呼ばれる特別な操作が使用されます。
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量子の場合の基底状態だけが可能な状態ではありません。たとえば、プラスまたはマイナスなどの状態もあり、基本的な状態は量子ビットの物理的な実装に依存することに注意する必要があります。
量子コンピューティングとそれが古典的なコンピューティングとどのように異なるか
古典的な計算は、いくつかの古典的な変換に基づいています。つまり、これらは私たちができるいくつかのアクションですクラシックな外観で取り組みます。たとえば、NOT 演算子は古典的なビットの値を反転します。つまり、入力で 0 が得られると、出力では 1 が得られ、その逆も同様です。量子ビットを操作するには、量子変換が使用されます。量子変換と古典的な変換を分ける違いが 1 つあります。量子変換は可逆的です。それらの作用は、他の量子変換を使用して元に戻すことができます。また、古典的な計算とは異なり、量子計算では「測定」と呼ばれる別の操作を定義できます。この変換により、量子ビットから古典的な情報を抽出できます。
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量子コンピュータの動作は、それぞれ量子回路を使用して決定することができます。古典回路が古典変換で構成される場合、量子回路は量子変換で構成されます。
量子コンピューティングは、古典的なコンピューティングとは異なり、若い科学ですが、それらのアプリケーションの興味深い例はすでにあります。たとえば、暗号などの分野 -情報保護、最適化の問題は量子コンピューターを使用してうまく解決されます。古典的なコンピューターに匹敵する実際の量子コンピューターを作成することで、いくつかの問題を古典的なコンピューターよりも速く解決できるようになります。
超高密度コーディングのアイデアは、1 つの量子ビットを使用して 2 つの古典ビットを送信することです。なぜこのコーディングが呼ばれるのか超濃厚？ブラックホールを思い出してみましょう - これは一種の物理的な物体であり、その質量全体が 1 つの特異点に崩壊します。ただし、量子の場合は、すべてがはるかに平凡で、データ圧縮について話しているだけで、それほど印象的なものではなく、単に 1 つの量子ビットを使用して 2 つの古典的なビットを送信するだけです。
2つの量子ビットがもつれていると言われるのは、最初の量子ビットから古典情報を測定または抽出することで、2番目の量子ビットの状態を正確に判断できる場合です。簡単な例を挙げると、ボブとアリスの兄弟がいるとします。毎日、朝食や昼食には、お母さんが容器を用意してくれます彼女はサラダかチーズサンドイッチを置きます。同時に、アリスもボブも、いつ学校に行くのか知りませんそして、学校に来て初めて、コンテナを開けるのです。サラダ、そしてボブの容器に何が入っているかをすでに正確に知っています。朝起きて靴下を履きたいとすると、片方の靴下を右足に履くと、もう片方の靴下が自分のものであることが確実にわかります。超高密度符号化は、もつれの現象に基づいています。
テレポーテーションとは、ある場所から別の場所へのオブジェクトの短時間での物理的な移動です。このような現象は量子コンピューティングで発明され、量子物理学で実験的に実証されました。しかし、この場合、私たちは肉体全体を動かしているのではなく、1量子ビットの状態だけを動かしています。やるべきことはただ一つ、今度は物理体を素粒子に分割する方法を学び、量子通信チャネルの助けを借りて送信した後、それらから物理体を組み立てる必要があることに注意することができます。この現象も絡み合いの現象に基づいています。
「ソビエトのスパイがいるとしよう...」
次の例は、暗号化の分野に属するBB84プロトコルです。参謀本部と情報交換することを目的としたソ連のスパイがいるとします。1 つのオプションは、スパイがメッセージを暗号化するために使用できるキーを使用し、受信側がメッセージを復号化するために使用することです。2つの問題があります:誰もそれを偽造できないように特定の鍵を取得する方法と、誰もそれを傍受できないような方法で鍵を交換する方法です。BB84プロトコルは、この問題を解決します。
当初、スパイはある種のランダムビットジェネレーターを持っており、それを使用してランダムビットを生成します。量子ビットとして使用します単一光子。彼らの助けを借りて、彼は古典的な情報を単一の光子（量子ビットと呼ぶことにしましょう）に暗号化または保存します。この場合、古典的なビットを量子ビットに書き込むときに、2 種類の基底を使用できます。単一光子の異なる偏光がベースとして使用されます。アクションを簡単にするために、これらの塩基を白塩基と黄色塩基と呼びましょう。これが意味すること: 白と黄色を使用すると、値 0 と値 1 の両方を暗号化できます。黄色の基底を使用すると、光子の偏光は対角になり、値 0 が保存されます。入力で 1 を受信した場合、反対角偏光が使用されるため、その助けを借りて 1 を送信します。白ベースが使用された場合、状態 0 は水平偏光の助けを借りて送信され、状態 1 は水平偏波の助けを借りて送信されます。スパイはこれらの基地を恣意的に選択します。彼も他の誰にも、どれを選択するかわかりません。結果として生じる特定の偏光を持つ光子は、これらの基地も備えている総本部に送信されます。そこで、彼らの助けを借りて、結果として生じる量子ビットが測定されます。参謀本部はソ連のスパイがどの基地を使用したかを知らないため、これらの基地をランダムに選択します。しかし、確率論の観点から見ると、半分のケースではこれらの基数を推測することになります。したがって、約半分のケースでは、使用される基底と受信および送信される古典ビットが一致します。次に、参謀本部は使用した基地を送信し、スパイは試合が行われた陣地を報告します。絞られた状態から得られた文字列がキーとなります。つまり、スパイが 1,000 ビットの古典的な情報を送信した場合、最終的に鍵は約 500 文字、つまり 500 ビットになります。
条件付きミューラーという第三者がいて、その目的は鍵の交換プロセスを盗聴することです。彼はどうやってそれをしますか？彼はまた、スパイと参謀が使用するすべての基地を知っていると仮定します。それは真ん中になり、そのベースで単一キュービットを受け入れ始めます。彼もまた、ソビエトのスパイがどちらの基地を使用したかを知らず、黄色と白の基地から任意に選択します。ケースの50％で、彼は推測します。その結果、キュービットの50％は、受け取ったときと同じ状態のままになります。ただし、約50％は変更された状態のままになります。その結果、これらのキュービットを受信すると、一般スタッフは、ケースの4分の1でのみ送信された状態を正確に受信します。これは、原則として、誰かがそれらを盗聴していることを示すシグナルになります。誰もそれらを耳にしたことがなければ、それらのキーの50％が一致します。ただし、誰かがそれらを盗聴した場合、キーが一致するのは4分の1の時間だけです。したがって、私たちがあなたと話し合った最初の問題は、誰もこの方法で盗聴しないように、どのように正確にキーを生成するかということです。誰かが盗聴していることに気づいたらすぐに、通信チャネルを変更できます。つまり、別の量子チャネルを選択することです。 2番目の問題：この場合は鍵交換の問題がないため、誰も傍受できないように鍵を正確に交換する方法。この場合はそれ自体で解決されます。
実際の量子コンピューターはいつ登場しますか？
現在、量子コンピューターはすでに存在しており、工業的にも実用化されています。実際、これらはこれらのコンピュータは限られた範囲の問題を解き、主にいくつかの最適化問題を解くために使用されます。たとえば、d-waveは、ほぼ量子コンピューターの開発者の1人です。この会社のクライアントの中には、Googleなどの巨人があり、いくつかの自動車メーカーも使用していますほとんど量子コンピューターです。
現在までに、実際の量子コンピューターの作成に向けていくつかの開発が進行中であることが知られています。ちょうど1年前、量子コンピューターの実験モデルが開発されましたこれらの量子コンピューターは、現実世界の問題を解決するのにも適していませんが、その作業がよく実証されていることに注意することが重要です量子コンピューターが理論的に基礎を置く原理。
2019年には、20キュービットで構成され、動作する量子コンピューターが発表されました。このコンピューターは、量子コンピューティングの原理が機能することを実証するためにのみ使用されます。これは、たとえば、現代の世界では2メガバイトのRAMと比較できますが、原則として、それは何もありません。
現在、量子もつれとワームホール現象が仮説化されていますは、同じ現象です。さらに、ワームホール自体が基づいています量子もつれなどの現象について。これは、将来的には、オプションとして、すでに人工的にワームホールを作成することが可能になることを示唆しています。つまり、いくつかの量子ビットを互いに絡み合わせます。
量子ビットの測定方法
量子ビットの測定には3つの方法があります。一見はコペンハーゲン理論です、測定プロセスの古典的なビュー。それは、測定の助けを借りて、ある古典的な結果を受け取って、測定されたキュービットに影響を与えると言っています。電子の文脈で考えると、電子の測定値は特定の波の形で表されます。つまり、それは特定の波動関数です。しかし、測定は与えられた波動関数が崩壊するという事実につながり、私たちはすでに粒子を扱っています。ハイゼンベルクの不確定性に言及することは重要です。それは、波動関数と電子の位置を同時に知ることはできないということです。つまり、電子を測定すると、波動関数の特性が失われます。逆に、波動関数の特性を知っていると、電子の位置を特定することはできません。
2番目の見方はDavidBohmの理論であり、システムに関するすべての情報を持っているわけではありませんが、実際には測定前と測定後の両方で波動関数はどこにも消えません。ただ、私たちが知らない隠れたパラメータがいくつかあり、これらの追加の特性を知ることで、電子の正確な位置と波動関数の特性の両方を決定することができます。古典的な観点からは、コインのトスはランダムなプロセス、つまり結果であると見なされますしかし、物理学の観点からは、いくつかの追加の特性を知って、どちら側が落ちるかを確実に判断できますたとえば、衝撃の初期力や空気抵抗の力などです。
そして、測定プロセスを観察する 3 番目の方法は、多世界理論です。この理論はヒュー・エヴェレットによって表現されました。測定すると、ある種の物理世界の分裂が起こると言われています。そして、私たちが観察する位位、つまり電子の位置は、私たちの世界でのみ現実のものです。並行して、電子の別の位位が実在する他の世界が作成されます。エベレットの理論を発展させて、量子コンピューティングの作成者の1人はかつて、したがって、宇宙自体が一種の量子コンピューターであり、計算を実行すると言いました。
ポスト量子暗号が登場した理由は、既存の暗号化システムを解読できる理論的な量子アルゴリズムでした。そのうちの 1 つは、多くのセキュリティの基盤ですインターネット バンキング、および Web サイト暗号化の基礎。情報を参謀本部に送信することを目的とするソ連のスパイがいて、このすべてを盗聴できる第三者がいると仮定してください。以前は単一のキーを使用した暗号化について説明しましたが、この特定のケースでは別の方法が提案されています。 RSA プロトコルがあり、その目的は次のとおりです。公開キーと秘密キーの 2 つのキーが生成されます。秘密キーは受信したメッセージの復号化に使用され、公開キーは暗号化に使用されます。このプロトコルを使用すると、このアルゴリズムを実装できます。つまり、公開キーと秘密キーを作成できます。
20世紀の終わりに、RSAアルゴリズムの基礎を破るために、PeterShorによって新しいアルゴリズムが提案されました。このアルゴリズムは完全に量子であり、したがって、実際に動作する量子コンピューターの出現により、最新のセキュリティ システムをハッキングすることが可能になります。その結果、暗号化方式を量子コンピューターによるクラッキングに耐性のあるものにするための新しいアルゴリズムを検討する新しい科学が出現しました。
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