Kodėl kvantinė fizika turėtų bijoti
„Jei kvantinė fizika jūsų negąsdina, vadinasi, jūs to nesuprantate“,
XX amžiaus pabaigoje daugelis tyrinėtojų suprato, kad kvantinė fizika gali būti panaudota kuriant naujo tipo kompiuterius.Galime sakyti, kad mokslininkai, sprendžiantys kvantinio skaičiavimo klausimus, rengia teorinį teleportacijos, kelionės laiku ar į paralelinių pasaulių pagrindą.
Klasikinio skaičiavimo kontekste yra toks dalykas kaip 1 bitas - tai informacijos vaizdavimo arba saugojimo vienetas.Panašiai kaip klasikinis bitas, galima apibrėžtikvantinis bitas, kuris yra kvantinės informacijos vienetas. Vienas klasikinis bitas bet kuriuo momentu gali išsaugoti vieną iš dviejų būsenų: nulį arba vieną. Fiziniu požiūriu tai yra elektrinio signalo buvimas arba nebuvimas. Kaip ir klasikiniu atveju, kvantiniu atveju yra būsenos - 0 ir 1. Tačiau, skirtingai nei klasikiniai skaičiavimai, 1 kubitas gali saugoti šių būsenų superpoziciją. Tai reiškia, kad kvantinio bito būsena paprastai nustatoma pagal dvi charakteristikas arba du parametrus. Pirmasis parametras yra atsakingas už nulinės būsenos tikimybę, o antrasis - už pirmosios būsenos tikimybę. Kvantinis bitas tam tikra prasme yra tikimybinė būsena, tačiau iš jos galima išgauti klasikinę informaciją. Tam naudojama speciali operacija, vadinama matavimu.
thecode.media
Pagrindinės būsenos kvantiniu atveju nėra vienintelės galimos būsenos.Taip pat yra būsena, pavyzdžiui, pliusas arba minusas, ir reikia pažymėti, kad pagrindinė būsena priklauso nuo fizinio kvantinio bito įgyvendinimo.
Kvantinis skaičiavimas ir kuo jis skiriasi nuo klasikinio skaičiavimo
Bet kokie klasikiniai skaičiavimai yra pagrįsti kai kuriomis klasikinėmis transformacijomis.Tai yra kai kurie veiksmai, kuriuos galime atliktisu klasikine išvaizda. Pavyzdžiui, operatorius NOT apverčia klasikinio bito reikšmę. Tai yra, jei įvestyje gauname 0, tada išvestyje gauname 1 ir atvirkščiai. Norint dirbti su kvantiniu bitu, naudojamos kvantinės transformacijos. Yra vienas skirtumas, skiriantis kvantines transformacijas nuo klasikinių. Kvantinės transformacijos yra grįžtamos. Bet kurio iš jų veikimas gali būti pakeistas naudojant kitą kvantinę transformaciją. Ir, skirtingai nei klasikiniai skaičiavimai, kvantiniams skaičiavimams galima apibrėžti kitą operaciją, vadinamą „matavimu“. Su šia transformacija galime išgauti klasikinę informaciją iš kvantinio bito.
miro.medium.com
Kvantinio kompiuterio veikimą galima nustatyti naudojant atitinkamai kvantinę grandinę.Jei klasikinė grandinė susideda iš klasikinių transformacijų, tai kvantinė grandinė susideda iš kvantinių.
Kvantinis skaičiavimas, skirtingai nei klasikinis, yra jaunas mokslas, tačiau jau yra įdomių jų taikymo pavyzdžių.Pavyzdžiui, tokia sritis kaip kriptografija -informacijos apsaugos, optimizavimo problemos gerai išsprendžiamos naudojant kvantinius kompiuterius. Sukūrę tikrą kvantinį kompiuterį, prilygstamą klasikiniams kompiuteriams, kai kurias problemas galėsime išspręsti greičiau nei klasikiniai kompiuteriai.
Itin tankaus kodavimo idėja yra perduoti du klasikinius bitus naudojant vieną kvantinį bitą.Kodėl šis kodavimas vadinamassuper tankus? Prisiminkime juodąją skylę – tai savotiškas fizinis kūnas, kurio visa masė subyra į vieną singuliarumo tašką. Tačiau kvantiniu atveju viskas daug proziškiau, kalbame apie duomenų suspaudimą ir net ne tokį įspūdingą – tiesiog dviejų klasikinių bitų perdavimas naudojant vieną kubitą.
Sakoma, kad du kubitai yra susipainioję, jei išmatuodami arba ištraukę klasikinę informaciją iš pirmojo kubito, galime tiksliai nustatyti antrojo kubito būseną.Paprastas pavyzdys:Tarkime, yra brolis ir sesuo Bobas ir Alisa. Kasdien pusryčiams ar pietums mama jiems paruošia indą maisto. Ji arba deda salotas, arba sumuštinį su sūriu. Be to, nei Alisa, nei Bobas, eidami į mokyklą, nežino konteinerio turinio. Ir tik atėję į mokyklą jie atidaro savo konteinerius: Alisa mato salotas ir jau tiksliai žino, kas yra Bobo konteineryje. Kitas įdomesnis pavyzdys – kojinių pora. Tarkime, kad atsikėlus ryte norisi užsimauti kojines, užsidėję vieną iš kojinių ant dešinės pėdos, tikrai žinosite, kad antroji kojinė priklauso kairei kojai arba bus kairioji. Itin tankus kodavimas pagrįstas įsipainiojimo reiškiniu.
Teleportacija - tai fizinis daiktų judėjimas iš vienos vietos į kitą per trumpą laiką.Šis reiškinys išrastas kvantinėje kompiuterijoje,o kvantinėje fizikoje eksperimentiškai įrodyta. Tačiau šiuo atveju mes judiname ne visą fizinį kūną, o tik vieno kubito būseną. Galima pastebėti, kad materija jau maža, dabar reikia išmokti suskaidyti fizinius kūnus į elementarias daleles, o paskui, perdavus kvantinio ryšio kanalu, iš jų vėl sujungti fizinius kūnus. Šis reiškinys taip pat pagrįstas susipainiojimo fenomenu.
„Tarkime, kad yra sovietų šnipas…
Kitas pavyzdys yra BB84 protokolas, priklausantis kriptografijos sričiai.Tarkime, kad turime tam tikrą sovietų šnipą,kurio tikslas – keistis informacija su generaliniu štabu. Yra keletas šios problemos sprendimo variantų. Viena iš galimybių yra naudoti raktą, kurį šnipas gali naudoti, kad užšifruotų pranešimą, o gaunančioji šalis - iššifruoti. Yra dvi problemos: kaip gauti duotą raktą, kad niekas jo negalėtų suklastoti, ir antra, kaip pakeisti raktą taip, kad niekas jo negalėtų perimti. BB84 protokolas išsprendžia šią problemą.
Pradžioje šnipas turi tam tikrą atsitiktinių bitų generatorių ir naudoja jį atsitiktinių bitų generavimui.Jis naudojamas kaip kvantinis bitaspavieniai fotonai. Jų pagalba jis užšifruoja arba išsaugo klasikinę informaciją į vieną fotoną, pavadinkime tai tiesiog kubitu. Šiuo atveju, rašant klasikinį bitą į kubitą, galima naudoti dviejų tipų bazes. Kaip bazės naudojamos skirtingos vieno fotono poliarizacijos. Norėdami supaprastinti veiksmą, pavadinkime šiuos pagrindus baltais ir geltonais pagrindais. Ką tai reiškia: Naudodami baltą ir geltoną, galime užšifruoti ir reikšmę 0, ir reikšmę 1. Jei naudosime geltoną pagrindą, tai fotono poliarizacija yra įstrižainė ir ji išsaugos reikšmę 0; jei į įvestį gauname 1, tai naudojama antidiagonalinė poliarizacija, vadinasi, ją naudodami perduodame 1. Jei naudojamas baltas pagrindas, tada būsena 0 perduodama naudojant horizontalią poliarizaciją, o 1 naudojant vertikalią poliarizaciją. Šnipas pasirenka šios bazės savavališkai: nei jis, nei kas nors kitas nežino, kurią pasirinks. Gauti fotonai su tam tikra poliarizacija perduodami į generalinį štabą, kuris taip pat turi šias bazes: su jų pagalba ten išmatuojamas susidaręs kvantinis bitas. Generalinis štabas nežino, kokias bazes naudojo sovietų šnipas, todėl atsitiktinai pasirenka šias bazes. Tačiau, tikimybių teorijos požiūriu, puse atvejų jie atspės šias bazes. Ir todėl maždaug puse atvejų naudojamos bazės - ir priimami bei perduodami klasikiniai bitai - sutaps. Tada generalinis štabas perduoda bazes, kurias naudojo, o šnipas savo ruožtu praneša, kuriose pozicijose įvyko rungtynės. Styga, kuri buvo gauta iš išspaustų būsenų, tampa raktu. Tai yra, jei šnipas siunčia 1000 bitų klasikinės informacijos, galiausiai raktas bus apie 500 simbolių arba 500 bitų.
Yra trečiasis asmuo, fiktyvus Mulleris, kurio tikslas yra pasiklausyti raktų mainų proceso.Kaip jis tai daro?Tarkime, jis taip pat žino visas tas bazes, kuriomis naudojasi šnipas ir generalinis personalas. Jis patenka į vidurį ir pradeda priimti pavienius kubitus su pagrindais. Jis taip pat nežino, kurias bazes naudojo sovietinis šnipas, ir savavališkai renkasi tarp geltonos ir baltos bazių. 50% atvejų jis atspės. Taigi 50% kubitų paliks tą pačią būseną, kurioje jie buvo gauti. Tačiau pakeista būsena paliks apie 50 proc. Dėl to generalinis personalas, gavęs šias kvitus, gaus tiksliai tas valstybes, kurios buvo išsiųstos tik ketvirtadaliu atvejų, iš esmės tai bus signalas, kad kažkas juos klauso. Jei niekas jų neišgirdo, 50% jų raktų atitiks. Tačiau jei kas nors juos pasiklausys, raktai atitiks tik ketvirtadalį laiko. Todėl pirmoji problema, kurią išsakėme kartu su jumis, yra ta, kaip tiksliai sugeneruoti raktą, kad niekas nebūtų pasiklausytas tokiu būdu. Kai tik sužino, kad kažkas juos klauso, jie gali pakeisti ryšio kanalą. Tai yra, pasirinkti kitą kvantinį kanalą. Antroji problema: kaip tiksliai pasikeisti raktą, kad niekas negalėtų perimti, šiuo atveju išsprendžiama savaime, nes raktų keitimo problemos šiuo atveju nėra.
Kada pasirodys tikri kvantiniai kompiuteriai?
Šiuo metu kvantiniai kompiuteriai jau egzistuoja ir netgi praktiškai naudojami pramoniniu būdu.Tiesą sakant, tai yra kompiuteriai, kurie tam tikru būdumažiausiai naudojant kvantinius efektus. Šie kompiuteriai išsprendžia ribotą problemų spektrą ir daugiausia naudojami kai kurioms optimizavimo problemoms spręsti. Pavyzdžiui, d-wave kompanija yra viena iš beveik kvantinių kompiuterių kūrėjų. Tarp šios įmonės klientų yra tokie milžinai kaip Google, keli automobilių gamintojai taip pat naudoja beveik kvantinius kompiuterius.
Iki šiol jau žinomi keli pokyčiai, kurie vykdomi kuriant tikrus kvantinius kompiuterius.Žodžiu, prieš metus jis buvo sukurtaseksperimentinis kvantinio kompiuterio, veikiančio su dviem kubitais, modelis. Šie kvantiniai kompiuteriai taip pat nėra tinkami tikroms problemoms spręsti, tačiau svarbu pažymėti, kad jų darbas puikiai parodo principų, kuriais teoriškai remiasi kvantiniai kompiuteriai, veikimą.
2019 m. Buvo pristatytas kvantinis kompiuteris, kurį sudarė ir dirbo su 20 kubitų.Šis kompiuteris naudojamas tikParodantis, kad kvantinio skaičiavimo principai veikia. Tai galima palyginti su dviem megabaitais, pavyzdžiui, RAM šiuolaikiniame pasaulyje, tai yra, iš principo, tai nieko.
Dabar yra hipotezių, kad kvantinis susipainiojimas ir kirmgraužų fenomenas yra vienas ir tas pats reiškinys.Be to, pačios kirmgraužos yra pagrįstosapie tokį reiškinį kaip kvantinis susipainiojimas. Tai rodo, kad ateityje kaip variantą bus galima jau dabar dirbtinai sukurti kirmėles. Tai yra, kai kurių kvantinių bitų įpynimas vienas į kitą.
Kaip išmatuoti kvantinį bitą
Yra trys kvantinio bito matavimo požiūriai.Pirmasis žvilgsnis yra Kopenhagos teorija,klasikinis matavimo proceso vaizdas. Jame sakoma, kad matavimo pagalba mes, gaudami tam tikrą klasikinį rezultatą, įtakojame išmatuotą kubitą. Jei mes tai svarstysime elektrono kontekste, tada elektrono matavimas vaizduojamas kaip tam tikra banga - tai yra tam tikra bangos funkcija. Bet matavimas lemia tai, kad duota bangos funkcija žlunga, ir mes jau susiduriame su dalele. Svarbu paminėti Heisenbergo neapibrėžtumą, kuris sako: kad mes negalime žinoti apie bangų funkciją ir elektrono vietą tuo pačiu metu. Tai yra, jei pamatuosime elektroną, prarasime bangos funkcijos charakteristikas. Ir atvirkščiai, žinodami bangų funkcijos charakteristikas, mes negalime nustatyti elektrono vietos.
Antrasis požiūris yra Davido Bohmo teorija, sakanti, kad paprasčiausiai neturime visos informacijos apie sistemą, tačiau iš tikrųjų tiek prieš matavimą, tiek po matavimo bangos funkcija niekur nedingsta.Tiesiog yra keletas paslėptų parametrų, kuriuos mesmes nežinome. Ir žinodami šias papildomas charakteristikas, galime nustatyti ir tikslią elektrono vietą, ir banginių funkcijų charakteristikas. Tai galima palyginti su paprastos monetos metimu. Jei vertintume tai klasikiniu požiūriu, monetos metimas laikomas atsitiktiniu procesu, tai yra, rezultato negalima numatyti. Tačiau fizikos požiūriu, žinodami kai kurias papildomas charakteristikas, galime tiksliai nustatyti, į kurią pusę nukris moneta. Pavyzdžiui, pradinė smūgio jėga arba oro pasipriešinimo jėga ir pan.
Ir trečias būdas pažvelgti į matavimo procesą yra kelių pasaulių teorija.Šią teoriją išreiškė Hughas Everettas.Jis sako, kad matuojant įvyksta tam tikras fizinio pasaulio padalijimas. O hipostazė, kurią stebime, yra elektrono vieta, yra tikra tik mūsų pasaulyje. Lygiagrečiai kuriami ir kiti pasauliai, kuriuose yra tikra kita elektrono hipostazė. Plėtodamas Everetto teoriją, vienas iš kvantinių skaičiavimų kūrėjų kartą pasakė, kad, taigi, pati Visata yra savotiškas kvantinis kompiuteris ir atlieka skaičiavimus.
Pokvantinės kriptografijos atsiradimo priežastis buvo teorinis kvantinis algoritmas, leidžiantis sulaužyti esamas šifravimo sistemas.Vienas iš jų yra daugelio saugumo pagrindasInternetinė bankininkystė, taip pat svetainės šifravimo pagrindas. Tarkime, yra sovietų šnipas, kurio tikslas yra perduoti informaciją Generaliniam štabui, ir yra trečioji šalis, galinti visa tai pasiklausyti. Anksčiau mes žiūrėjome į šifravimą naudojant vieną raktą, tačiau šiuo konkrečiu atveju siūlomas kitas metodas. Yra RSA protokolas, kurio paskirtis tokia: generuojami du raktai – viešasis ir privatusis; Privatusis raktas naudojamas gautam pranešimui iššifruoti, o viešasis – užšifruoti. Šis protokolas leidžia įgyvendinti šį algoritmą, tai yra sukurti viešuosius ir privačius raktus.
20-ojo amžiaus pabaigoje Peteris Shoras pasiūlė naują algoritmą, kuris sulaužytų RSA algoritmo pagrindą.Šis algoritmas yra visiškai kvantinis irtodėl tikrai veikiančio kvantinio kompiuterio atsiradimas leis nulaužti šiuolaikines apsaugos sistemas. Dėl to atsirado naujas mokslas, kuris ieško naujų algoritmų, kad šifravimo metodai būtų atsparūs kvantinio kompiuterio įtrūkimui.
Taip pat žiūrėkite:
Buvo sukurtas pirmasis tikslus pasaulio žemėlapis. Kas negerai visiems kitiems?
Klimato kaita pasuko Žemės ašį
NASA pasakojo, kaip jie pristatys Marso pavyzdžius į Žemę