Kāpēc jābaidās no kvantu fizikas
"Ja kvantu fizika jūs nebiedē, tad jūs to nesaprotat."
20. gadsimta beigās daudzi pētnieki saprata, ka kvantu fiziku var izmantot jauna veida datoru radīšanai.Mēs varam teikt, ka pētnieki, kas nodarbojas ar kvantu skaitļošanas jautājumiem, gatavo teorētisko pamatu teleportācijai, ceļošanai laikā vai paralēlajām pasaulēm.
Klasiskās skaitļošanas kontekstā ir tāda lieta kā 1 bits - tā ir informācijas attēlojuma vai uzglabāšanas vienība.Līdzīgi klasiskajam bitam var definētkvantu bits, kas ir kvantu informācijas vienība. Viens klasiskais bits jebkurā brīdī var saglabāt vienu no diviem stāvokļiem: nulle vai viens. No fiziskā viedokļa tas ir elektriskā signāla esamība vai neesamība. Tāpat kā klasiskajā gadījumā, kvantu gadījumā ir stāvokļi - 0 un 1. Bet, atšķirībā no klasiskajiem aprēķiniem, 1 kubits var glabāt šo stāvokļu superpozīciju. Tas nozīmē, ka kvantu bita stāvokli parasti nosaka divi raksturlielumi vai divi parametri. Pirmais parametrs ir atbildīgs par nulles stāvokļa varbūtību, bet otrais ir atbildīgs par pirmā stāvokļa iespējamību. Kvantu bits savā ziņā ir varbūtības stāvoklis, taču no tā var iegūt klasisko informāciju. Lai to izdarītu, tiek izmantota īpaša darbība, ko sauc par mērīšanu.
thecode.media
Pamatstāvokļi kvantu gadījumā nav vienīgie iespējamie stāvokļi.Ir arī stāvoklis, piemēram, pluss vai mīnuss, un jāņem vērā, ka pamatstāvoklis ir atkarīgs no kvantu bita fiziskās realizācijas.
Kvantu skaitļošana un kā tā atšķiras no klasiskās skaitļošanas
Jebkurš klasiskais aprēķins ir balstīts uz dažām klasiskām transformācijām.Tas ir, šīs ir dažas darbības, kuras mēs varamuzņemties ar klasisku izskatu. Piemēram, operators NOT invertē klasiskā bita vērtību. Tas ir, ja ieejā iegūstam 0, tad izejā iegūstam 1 un otrādi. Lai strādātu ar kvantu bitu, tiek izmantotas kvantu transformācijas. Ir viena atšķirība, kas atdala kvantu transformācijas no klasiskajām. Kvantu transformācijas ir atgriezeniskas. Jebkuras no tām darbību var mainīt, izmantojot kādu citu kvantu transformāciju. Un atšķirībā no klasiskajiem aprēķiniem kvantu aprēķiniem var definēt citu darbību, ko sauc par “mērīšanu”. Ar šo transformāciju mēs varam iegūt klasisko informāciju no kvantu bita.
miro.medium.com
Kvantu datora darbību var noteikt, izmantojot attiecīgi kvantu shēmu.Ja klasiskā ķēde sastāv no klasiskām transformācijām, tad kvantu ķēde sastāv no kvantu pārveidojumiem.
Kvantu skaitļošana, atšķirībā no klasiskās, ir jauna zinātne, taču jau tagad ir interesanti to pielietošanas piemēri.Piemēram, tāda joma kā kriptogrāfija -informācijas aizsardzība, optimizācijas problēmas tiek labi atrisinātas, izmantojot kvantu datorus. Izveidojot īstu kvantu datoru, kas pielīdzināms klasiskajiem datoriem, dažas problēmas varēsim atrisināt ātrāk nekā klasiskie datori.
Īpaši blīvas kodēšanas ideja ir pārraidīt divus klasiskos bitus, izmantojot vienu kvantu bitu.Kāpēc šī kodēšana tiek sauktasuper blīvs? Atcerēsimies melno caurumu - tas ir sava veida fiziskais ķermenis, kura visa masa sabrūk vienā singularitātes punktā. Tomēr kvantu gadījumā viss ir daudz prozaiskāk, mēs runājam par datu saspiešanu, un pat ne tik iespaidīgi - vienkārši pārraidot divus klasiskos bitus, izmantojot vienu kubitu.
Tiek uzskatīts, ka divi kubiti ir sapinušies, ja, izmērot vai iegūstot klasisko informāciju no pirmā kubīta, mēs varam precīzi noteikt otrā kubita stāvokli.Vienkāršs piemērs:Pieņemsim, ka ir brālis un māsa Bobs un Alise. Katru dienu brokastīs vai pusdienās mamma viņiem sagatavo trauku ar ēdienu. Viņa vai nu uzliek salātus vai siera sviestmaizi. Turklāt ne Alise, ne Bobs, dodoties uz skolu, nezina konteinera saturu. Un tikai tad, kad viņi ierodas skolā, viņi atver savus konteinerus: Alise redz salātus un jau precīzi zina, kas atrodas Boba konteinerā. Vēl viens interesantāks piemērs ir zeķu pāris. Pieņemsim, ka tu no rīta pamosties un vēlies uzvilkt zeķes, uzvelkot kādu no zeķēm uz labās kājas, tu noteikti zināsi, ka otrā zeķe pieder tavai kreisajai pēdai vai būs kreisā zeķe. Īpaši blīva kodēšana ir balstīta uz sapīšanās fenomenu.
Teleportācija ir objektu fiziska pārvietošanās īsā laika posmā no vienas vietas uz otru.Šī parādība ir izgudrota kvantu skaitļošanā,un kvantu fizikā tas ir eksperimentāli pierādīts. Tomēr šajā gadījumā mēs nepārvietojam visu fizisko ķermeni, bet tikai viena kubīta stāvokli. Var atzīmēt, ka matērija jau ir maza; tagad jums jāiemācās sadalīt fiziskos ķermeņus elementārajās daļiņās un pēc tam pēc pārraides, izmantojot kvantu sakaru kanālu, no tiem atkal apvienot fiziskos ķermeņus. Šīs parādības pamatā ir arī sapīšanās fenomens.
Pieņemsim, ka ir padomju spiegs…
Nākamais piemērs ir BB84 protokols, kas pieder kriptogrāfijas jomai.Pieņemsim, ka mums ir kāds padomju spiegs,kura mērķis ir informācijas apmaiņa ar ģenerālštābu. Šīs problēmas risināšanai ir vairākas iespējas. Viena iespēja ir izmantot atslēgu, ko spiegs var izmantot, lai šifrētu ziņojumu, un saņēmēja puse, lai to atšifrētu. Ir divas problēmas: kā iegūt doto atslēgu, lai neviens to nevarētu viltot, un, otrkārt, kā apmainīt atslēgu tā, lai neviens to nevarētu pārtvert. BB84 protokols atrisina šo problēmu.
Sākumā spiegam ir sava veida nejaušu bitu ģenerators, un tas to izmanto nejaušu bitu ģenerēšanai.To izmanto kā kvantu bituatsevišķi fotoni. Ar viņu palīdzību viņš šifrē vai saglabā klasisko informāciju vienā fotonā, sauksim to tikai par kubītu. Šajā gadījumā, ierakstot klasisko bitu kubītā, var izmantot divu veidu bāzes. Kā bāzes tiek izmantotas dažādas viena fotona polarizācijas. Lai vienkāršotu darbību, sauksim šīs pamatnes par baltajām un dzeltenajām pamatnēm. Ko tas nozīmē: Izmantojot balto un dzelteno krāsu, mēs varam šifrēt gan vērtību 0, gan vērtību 1. Ja mēs izmantojam dzelteno bāzi, tad fotona polarizācija ir diagonāla, un tā saglabās vērtību 0; ja ieejā saņemam 1, tad tiek izmantota antidiagonālā polarizācija, un līdz ar to, izmantojot to, mēs pārraidām 1. Ja izmanto balto bāzi, tad stāvoklis 0 tiek pārraidīts, izmantojot horizontālo polarizāciju un 1, izmantojot vertikālo polarizāciju. Spiegs izvēlas šīs bāzes patvaļīgi: ne viņš, ne kāds cits nezina, kuru izvēlēsies. Iegūtie fotoni ar noteiktu polarizāciju tiek pārraidīti uz ģenerālštābu, kurā arī ir šīs bāzes: ar to palīdzību tur tiek mērīts iegūtais kvantu bits. Ģenerālštābs nezina, kādas bāzes izmantojis padomju spiegs, tāpēc nejauši izvēlas šīs bāzes. Bet no varbūtību teorijas viedokļa pusē gadījumu viņi uzminēs šīs bāzes. Un tāpēc apmēram pusē gadījumu izmantotās bāzes - un saņemtie un pārraidītie klasiskie biti - sakritīs. Pēc tam ģenerālštābs pārraida izmantotās bāzes, un spiegs savukārt ziņo, kurās pozīcijās spēle notika. Virkne, kas tika iegūta no izspiestajiem stāvokļiem, kļūst par atslēgu. Tas ir, ja spiegs nosūta 1000 bitu klasiskās informācijas, tad beigās atslēga būs aptuveni 500 rakstzīmes jeb 500 biti.
Ir trešā persona, fiktīvais Mullers, kura mērķis ir noklausīties atslēgu apmaiņas procesu.Kā viņš to dara?Pieņemsim, ka viņš zina arī visas tās bāzes, kuras izmanto spiegs un galvenais personāls. Tas nokļūst pa vidu un sāk pieņemt atsevišķus kubitus ar saviem pamatiem. Arī viņš nezina, kuras bāzes izmantoja padomju spiegs, un patvaļīgi izvēlas dzeltenās un baltās bāzes. 50% gadījumu viņš uzminēs. Līdz ar to 50% kubītu atstās tādā pašā stāvoklī, kādā tie tika saņemti. Tomēr aptuveni 50% aizies prom mainītā stāvoklī. Rezultātā, saņemot šos kvitus, ģenerālštābs saņems tieši tos stāvokļus, kas tika nosūtīti tikai ceturtdaļā gadījumu, principā tas būs signāls, ka kāds viņus noklausās. Ja neviens viņus neuzklausīja, 50% viņu atslēgu sakritīs. Tomēr, ja kāds viņus noklausās, atslēgas sakrīt tikai ceturtdaļu laika. Tāpēc pirmā problēma, ko mēs izteicām kopā ar jums, ir tā, kā tieši ģenerēt atslēgu, lai neviens noklausīšanās netiktu atrisināts šādā veidā. Tiklīdz viņi uzzina, ka kāds viņus noklausās, viņi var mainīt sakaru kanālu. Tas ir, izvēlēties citu kvantu kanālu. Otra problēma: kā precīzi nomainīt atslēgu, lai neviens nevarētu pārtvert, šajā gadījumā tiek atrisināta pati, jo šajā gadījumā nav atslēgas apmaiņas problēmu.
Kad parādīsies īsti kvantu datori?
Šobrīd kvantu datori jau pastāv un tos pat praktiski izmanto rūpnieciski.Patiesībā tie ir datori, kas kaut kādā veidāvismazāk izmanto kvantu efektus. Šie datori atrisina ierobežotu problēmu loku un galvenokārt tiek izmantoti dažu optimizācijas problēmu risināšanai. Piemēram, uzņēmums d-wave ir viens no gandrīz kvantu datoru izstrādātājiem. Starp šī uzņēmuma klientiem ir tādi giganti kā Google, vairāki autoražotāji izmanto arī gandrīz kvantu datorus.
Līdz šim jau ir zināmi vairāki sasniegumi, kas tiek veikti reālu kvantu datoru izveidē.Burtiski pirms gada tas tika izstrādātseksperimentāls kvantu datora modelis, kas darbojas ar diviem kubitiem. Arī šie kvantu datori nav piemēroti reālu problēmu risināšanai, taču ir svarīgi atzīmēt, ka to darbs labi parāda to principu darbību, uz kuriem teorētiski ir balstīti kvantu datori.
2019. gadā tika prezentēts kvantu dators, kas sastāv no 20 kvitiem un strādā ar tiem.Šis dators ir paredzēts tikaiparāda, ka kvantu skaitļošanas principi darbojas. To var salīdzināt ar diviem megabaitiem, piemēram, RAM mūsdienu pasaulē, tas ir, principā tas nav nekas.
Tagad pastāv hipotēzes, ka kvantu sapīšanās un tārpu caurumu parādība ir viena un tā pati parādība.Turklāt paši tārpu caurumi ir balstītipar tādu parādību kā kvantu sapīšanās. Tas liek domāt, ka nākotnē kā opciju tārpu caurumus būs iespējams izveidot jau mākslīgi. Tas ir, sapinot dažus kvantu bitus savā starpā.
Kā izmērīt kvantu bitu
Ir trīs viedokļi par kvantu bitu mērīšanu.Pirmais skatījums ir Kopenhāgenas teorija,klasisks skats uz mērīšanas procesu. Tajā teikts, ka ar mērījumu palīdzību mēs, saņemot noteiktu klasisko rezultātu, ietekmējam izmērīto kubitu. Ja mēs to aplūkojam elektrona kontekstā, tad elektrona mērījums tiek attēlots noteikta viļņa formā - tas ir, tā ir noteikta viļņa funkcija. Bet mērījums noved pie tā, ka dotā viļņa funkcija sabrūk, un mums jau ir darīšana ar daļiņu. Ir svarīgi pieminēt Heizenberga nenoteiktību, kurā teikts: ka mēs nevaram zināt vienlaikus par viļņu funkciju un elektrona atrašanās vietu. Tas ir, ja mēs izmērām elektronu, mēs zaudēsim viļņu funkcijas īpašības. Un otrādi, zinot viļņu funkcijas īpašības, mēs nevaram noteikt elektrona atrašanās vietu.
Otrais viedoklis ir Deivida Boma teorija, kas saka, ka mums vienkārši nav visas informācijas par sistēmu, bet patiesībā gan pirms mērīšanas, gan pēc mērīšanas viļņu funkcija nekur nepazūd.Mums vienkārši ir daži slēpti parametrimēs nezinām. Un, zinot šos papildu raksturlielumus, mēs varam noteikt gan precīzu elektrona atrašanās vietu, gan viļņu funkciju īpašības. To var salīdzināt ar parastas monētas mešanu. Ja mēs to aplūkojam no klasiskā viedokļa, monētas mešana tiek uzskatīta par nejaušu procesu, tas ir, rezultātu nevar paredzēt. Taču no fizikas viedokļa, zinot dažus papildu raksturlielumus, varam precīzi noteikt, uz kuru pusi monēta nokritīs. Piemēram, sākotnējais trieciena spēks vai gaisa pretestības spēks utt.
Un trešais veids, kā aplūkot mērīšanas procesu, ir vairāku pasauļu teorija.Šo teoriju izteica Hjū Everets.Tajā teikts, ka, mērot, notiek sava veida fiziskās pasaules sašķelšanās. Un hipostāze, ko mēs novērojam, elektrona atrašanās vieta, ir reāla tikai mūsu pasaulē. Paralēli tam tiek radītas citas pasaules, kurās reāla ir vēl viena elektrona hipostāze. Attīstot Evereta teoriju, viens no kvantu skaitļošanas veidotājiem reiz teica, ka tādējādi pats Visums ir sava veida kvantu dators un veic aprēķinus.
Pēckvantu kriptogrāfijas parādīšanās iemesls bija teorētisks kvantu algoritms, kas ļauj uzlauzt esošās šifrēšanas sistēmas.Viens no tiem ir daudzu drošības pamatsInternetbanka, kā arī mājas lapas šifrēšanas pamats. Pieņemsim, ka ir padomju spiegs, kura mērķis ir pārsūtīt informāciju ģenerālštābam, un ir trešā persona, kas to visu var noklausīties. Iepriekš mēs aplūkojām šifrēšanu, izmantojot vienu atslēgu, taču šajā konkrētajā gadījumā tiek piedāvāta cita metode. Ir RSA protokols, kura mērķis ir šāds: tiek ģenerētas divas atslēgas - publiskā un privātā; Privātā atslēga tiek izmantota, lai atšifrētu saņemto ziņojumu, un publiskā atslēga tiek izmantota, lai to šifrētu. Šis protokols ļauj ieviest šo algoritmu, tas ir, izveidot publiskās un privātās atslēgas.
20. gadsimta beigās Pīters Šors ierosināja jaunu algoritmu, lai izjauktu RSA algoritma pamatu.Šis algoritms ir pilnīgi kvantu, untāpēc reāli strādājoša kvantu datora parādīšanās dos iespēju uzlauzt mūsdienu drošības sistēmas. Rezultātā ir parādījusies jauna zinātne, kas meklē jaunus algoritmus, lai padarītu šifrēšanas metodes izturīgas pret kvantu datora izraisītu plaisāšanu.
Skatiet arī:
Tika izveidota pirmā precīzā pasaules karte. Kas vainas visiem pārējiem?
Klimata pārmaiņas ir nobīdījušas Zemes asi
NASA pastāstīja, kā viņi nogādās Marsa paraugus uz Zemes