Waarom kwantumfysica bang zou moeten zijn?
‘Als de kwantumfysica je niet bang maakt, dan begrijp je het niet’
Aan het einde van de 20e eeuw realiseerden veel onderzoekers zich dat de kwantumfysica gebruikt kon worden om een nieuw type computer te creëren.We kunnen zeggen dat onderzoekers die zich bezighouden met kwantumcomputing een theoretische basis voorbereiden voor teleportatie, tijdreizen of naar parallelle werelden.
In de context van klassiek computergebruik bestaat er zoiets als 1 bit - dit is een eenheid voor representatie of opslag van informatie.Vergelijkbaar met het klassieke bit, kan men definiërenquantumbit, een eenheid van kwantuminformatie. Eén klassiek bit kan op elk moment een van de twee toestanden opslaan: nul of één. Vanuit fysiek oogpunt is dit de aan- of afwezigheid van een elektrisch signaal. Net als in het klassieke geval zijn er in het kwantumgeval toestanden - 0 en 1. Maar in tegenstelling tot klassieke berekeningen kan 1 qubit een superpositie van deze toestanden opslaan. Dat wil zeggen dat de toestand van een kwantumbit doorgaans wordt bepaald door twee kenmerken, oftewel twee parameters. De eerste parameter is verantwoordelijk voor de waarschijnlijkheid van de nultoestand, en de tweede is verantwoordelijk voor de waarschijnlijkheid van de eerste toestand. Een kwantumbit is in sommige opzichten een probabilistische toestand, maar er kan klassieke informatie uit worden gehaald. Om dit te doen, wordt een speciale bewerking gebruikt, genaamd meten.
thecode.media
Basistoestanden in het kwantumgeval zijn niet de enige mogelijke toestanden.Er is ook een toestand, bijvoorbeeld plus of min, en er moet worden opgemerkt dat de basistoestand afhangt van de fysieke implementatie van de kwantumbit.
Quantum computing en hoe het verschilt van klassieke computing
Alle klassieke berekeningen zijn gebaseerd op enkele klassieke transformaties.Dat wil zeggen, dit zijn enkele acties die we kunnen ondernemenondernemen met een klassieke uitstraling. De NOT-operator keert bijvoorbeeld de waarde van een klassieke bit om. Dat wil zeggen: als we 0 krijgen aan de ingang, krijgen we 1 aan de uitgang, en omgekeerd. Om met een quantumbit te werken, worden quantumtransformaties gebruikt. Er is één verschil dat kwantumtransformaties onderscheidt van klassieke transformaties. Kwantumtransformaties zijn omkeerbaar. De actie van elk van hen kan worden teruggedraaid met behulp van een andere kwantumtransformatie. En, in tegenstelling tot klassieke berekeningen, kan men voor kwantumberekeningen een andere bewerking definiëren die ‘meting’ wordt genoemd. Met deze transformatie kunnen we klassieke informatie uit een kwantumbit halen.
miro.medium.com
De werking van een kwantumcomputer kan worden bepaald met respectievelijk een kwantumschakeling.Als een klassiek circuit uit klassieke transformaties bestaat, dan bestaat een kwantumcircuit uit kwantumtransformaties.
Quantum computing is, in tegenstelling tot klassiek, een jonge wetenschap, maar er zijn al interessante voorbeelden van hun toepassing.Een gebied als cryptografie bijvoorbeeld -informatiebescherming en optimalisatieproblemen worden goed opgelost met behulp van kwantumcomputers. Door een echte kwantumcomputer te creëren die vergelijkbaar is met klassieke computers, zullen we sommige problemen sneller kunnen oplossen dan klassieke computers.
Het idee van ultradichte codering is om twee klassieke bits te verzenden met behulp van één kwantumbit.Waarom heet deze coderingsuperdicht? Laten we ons een zwart gat herinneren - dit is een soort fysiek lichaam waarvan de hele massa ineenstort in één singulariteitspunt. In het kwantumgeval is alles echter veel prozaïscher, we hebben het over datacompressie, en niet eens zo indrukwekkend: simpelweg twee klassieke bits verzenden met één qubit.
Er wordt gezegd dat twee qubits verstrengeld zijn als we, door het meten of extraheren van klassieke informatie uit de eerste qubit, nauwkeurig de toestand van de tweede qubit kunnen bepalen.Eenvoudig voorbeeld:Laten we zeggen dat er broer en zus Bob en Alice zijn. Elke dag maakt hun moeder voor het ontbijt of de lunch een bakje met eten voor hen klaar. Ze zet een salade of een broodje kaas op. Bovendien kennen noch Alice noch Bob de inhoud van de container als ze naar school gaan. En pas als ze op school komen, openen ze hun bakjes: Alice ziet de salade en weet al precies wat er in Bobs bakje zit. Een ander interessanter voorbeeld zijn een paar sokken. Stel dat u 's ochtends wakker wordt en sokken wilt aantrekken. Door een van de sokken aan uw rechtervoet te doen, weet u zeker dat de tweede sok bij uw linkervoet hoort of de linkersok zal zijn. Ultradichte codering is gebaseerd op het fenomeen verstrengeling.
Teleportatie is de fysieke verplaatsing van objecten van de ene plaats naar de andere in een korte tijdsperiode.Dit fenomeen is uitgevonden in quantum computing,en in de kwantumfysica wordt het experimenteel aangetoond. In dit geval verplaatsen we echter niet het hele fysieke lichaam, maar alleen de toestand van één qubit. Er kan worden opgemerkt dat de zaak al klein is; nu moet je leren hoe je fysieke lichamen in elementaire deeltjes kunt splitsen, en vervolgens, na transmissie via een kwantumcommunicatiekanaal, fysieke lichamen daaruit weer kunt samenstellen. Dit fenomeen is ook gebaseerd op het fenomeen verstrengeling.
‘Laten we zeggen dat er een Sovjet-spion is’
Het volgende voorbeeld is het BB84-protocol, dat behoort tot het domein van de cryptografie.Stel dat we een bepaalde Sovjet-spion hebben,Het doel hiervan is informatie uit te wisselen met de generale staf. Er zijn verschillende opties om dit probleem op te lossen. Eén optie is om een sleutel te gebruiken waarmee de spion het bericht kan versleutelen en de ontvangende partij het kan ontsleutelen. Er zijn twee problemen: hoe je een bepaalde sleutel kunt verkrijgen zodat niemand hem kan vervalsen, en ten tweede hoe je de sleutel zo kunt uitwisselen dat niemand hem kan onderscheppen. Het BB84-protocol lost dit probleem op.
In het begin heeft de spion een soort willekeurige bitgenerator en gebruikt deze om willekeurige bits te genereren.Het gebruikt als een kwantumbitenkele fotonen. Met hun hulp codeert of slaat hij klassieke informatie op in één enkel foton, laten we het maar een qubit noemen. In dit geval kunnen bij het schrijven van een klassieke bit in een qubit twee soorten bases worden gebruikt. Verschillende polarisaties van een enkel foton worden als basen gebruikt. Om de actie te vereenvoudigen, noemen we deze bases de witte en gele bases. Wat dit betekent: Met wit en geel kunnen we zowel de waarde 0 als de waarde 1 coderen. Als we een gele basis gebruiken, is de polarisatie van het foton diagonaal en slaat het de waarde 0 op; als we aan de ingang 1 ontvangen, wordt antidiagonale polarisatie gebruikt en daarom zenden we met zijn hulp 1. Als een witte basis wordt gebruikt, wordt de toestand 0 verzonden met behulp van horizontale polarisatie, en 1 met behulp van van verticale polarisatie.De spion kiest deze bases willekeurig: noch hij, noch iemand anders weet welke hij zal kiezen. De resulterende fotonen met een bepaalde polarisatie worden verzonden naar het algemene hoofdkwartier, dat ook deze bases heeft: met hun hulp wordt daar het resulterende kwantumbit gemeten. De Generale Staf weet niet welke bases de Sovjet-spion gebruikte en daarom kiezen ze deze bases willekeurig. Maar vanuit het oogpunt van de waarschijnlijkheidstheorie zullen ze in de helft van de gevallen deze bases raden. En daarom zullen in ongeveer de helft van de gevallen de gebruikte bases – en de ontvangen en verzonden klassieke bits – samenvallen. Vervolgens verzendt de generale staf de bases die zij heeft gebruikt, en de spion rapporteert op zijn beurt op welke posities de wedstrijd plaatsvond. De string die is verkregen uit de samengedrukte staten wordt de sleutel. Dat wil zeggen: als een spion 1000 bits klassieke informatie verzendt, zal de sleutel uiteindelijk ongeveer 500 tekens of 500 bits bedragen.
Er is nog een derde persoon, de fictieve Muller, wiens doel het is het sleuteluitwisselingsproces af te luisteren.Hoe doet hij het?Stel dat hij ook al die bases kent die door de spion en de generale staf worden gebruikt. Het staat in het midden en begint enkele qubits te accepteren met zijn bases. Ook hij weet niet welke bases de Sovjet-spion gebruikte en kiest willekeurig tussen de gele en witte bases. In 50% van de gevallen gokt hij. Bijgevolg zal 50% van de qubits vertrekken in dezelfde staat waarin ze zijn ontvangen. Ongeveer 50% zal echter in een gewijzigde staat vertrekken. Hierdoor krijgt de generale staf bij het ontvangen van deze qubits precies de staten die zijn verzonden, slechts in een kwart van de gevallen, in principe is dit een signaal dat iemand ze afluistert. Als niemand ze zou horen, zou 50% van hun sleutels overeenkomen. Als iemand ze echter afluistert, zullen de sleutels slechts een kwart van de tijd overeenkomen. Daarom is het eerste probleem dat we met u hebben geuit, hoe u precies een sleutel kunt genereren zodat niemand op deze manier kan afluisteren. Zodra ze erachter komen dat iemand hen afluistert, kunnen ze van communicatiekanaal wisselen. Dat wil zeggen, een ander kwantumkanaal kiezen. Het tweede probleem: hoe een sleutel precies om te wisselen zodat niemand kan onderscheppen, wordt in dit geval vanzelf opgelost, aangezien er in dit geval geen sleuteluitwisselingsprobleem is.
Wanneer verschijnen echte kwantumcomputers?
Op dit moment bestaan er al kwantumcomputers en worden ze zelfs praktisch industrieel gebruikt.In feite zijn dit computers die op de een of andere manierminste gebruik van kwantumeffecten. Deze computers lossen een beperkt aantal problemen op en worden voornamelijk gebruikt om enkele optimalisatieproblemen op te lossen. Het bedrijf d-wave is bijvoorbeeld een van de ontwikkelaars van bijna kwantumcomputers. Onder de klanten van dit bedrijf bevinden zich giganten als Google; verschillende autofabrikanten gebruiken ook bijna kwantumcomputers.
Tot op heden zijn er al verschillende ontwikkelingen bekend die plaatsvinden bij het maken van echte kwantumcomputers.Letterlijk een jaar geleden werd het ontwikkeldexperimenteel model van een kwantumcomputer die met twee qubits werkt. Deze kwantumcomputers zijn ook niet geschikt voor het oplossen van echte problemen, maar het is belangrijk op te merken dat hun werk goed de werking demonstreert van de principes waarop kwantumcomputers theoretisch zijn gebaseerd.
In 2019 werd een quantumcomputer gepresenteerd, bestaande uit en werkend met 20 qubits.Deze computer wordt puur voor gebruiktwaarmee wordt aangetoond dat de principes van quantum computing werken. Dit kan worden vergeleken met bijvoorbeeld twee megabytes RAM in de moderne wereld, dat wil zeggen dat het in principe niets is.
Nu zijn er hypothesen dat kwantumverstrengeling en het fenomeen wormgaten één en hetzelfde fenomeen zijn.Bovendien zijn wormgaten zelf gebaseerdover een fenomeen als kwantumverstrengeling. Dit suggereert dat het in de toekomst als optie mogelijk zal zijn om al kunstmatig wormgaten te maken. Dat wil zeggen, een aantal kwantumbits met elkaar verstrengelen.
Hoe de kwantumbit te meten
Er zijn drie visies op het meten van een kwantumbit.Eerste blik is Kopenhagen theorie,een klassieke kijk op het meetproces. Er staat dat we met behulp van metingen, wanneer we een bepaald klassiek resultaat krijgen, de gemeten qubit beïnvloeden. Als we kijken in de context van een elektron, dan wordt de meting van een elektron weergegeven in de vorm van een bepaalde golf - dat wil zeggen, het is een bepaalde golffunctie. Maar de meting leidt tot het feit dat de gegeven golffunctie instort, en we hebben al te maken met een deeltje. Het is belangrijk om de onzekerheid van Heisenberg te noemen, die zegt: dat we niet tegelijkertijd de golffunctie en de locatie van het elektron kunnen weten. Dat wil zeggen, als we een elektron meten, verliezen we de kenmerken van de golffunctie. Omgekeerd, als we de kenmerken van de golffunctie kennen, kunnen we de locatie van het elektron niet bepalen.
De tweede visie is de theorie van David Bohm, die zegt dat we simpelweg niet alle informatie over het systeem hebben, maar in werkelijkheid zowel voor de meting als na de meting verdwijnt de golffunctie nergens.Er zijn eenvoudigweg enkele verborgen parameters die we gebruikenwij weten het niet. En als we deze aanvullende kenmerken kennen, kunnen we zowel de exacte locatie van het elektron als de kenmerken van de golffuncties vaststellen. Dit kan worden vergeleken met het opgooien van een gewone munt. Als we het vanuit klassiek oogpunt bekijken, wordt het opgooien van een munt beschouwd als een willekeurig proces, dat wil zeggen dat het resultaat niet kan worden voorspeld. Vanuit natuurkundig oogpunt kunnen we echter nauwkeurig bepalen aan welke kant de medaille zal vallen, als we enkele aanvullende kenmerken kennen. Bijvoorbeeld de initiële impactkracht of de kracht van de luchtweerstand, enzovoort.
En een derde manier om naar het meetproces te kijken is de meerwereldentheorie.Deze theorie werd uitgedrukt door Hugh Everett.Er staat dat er bij het meten een soort splitsing van de fysieke wereld optreedt. En de hypostase die we waarnemen, de locatie van het elektron, is alleen echt in onze wereld. Tegelijkertijd worden andere werelden gecreëerd, waarin een andere hypostase van het elektron reëel is. Bij het ontwikkelen van de theorie van Everett zei een van de makers van kwantumcomputing ooit dat het heelal dus zelf een soort kwantumcomputer is en berekeningen uitvoert.
De reden voor de opkomst van post-kwantumcryptografie was een theoretisch kwantumalgoritme waarmee je bestaande versleutelingssystemen kunt doorbreken.Eén daarvan vormt de basis voor de veiligheid van velenInternetbankieren, evenals de basis voor website-encryptie. Stel dat er een Sovjet-spion is wiens doel het is om informatie door te geven aan de Generale Staf, en er is een derde partij die dit allemaal kan afluisteren. Eerder hebben we gekeken naar encryptie met één enkele sleutel, maar in dit specifieke geval wordt een andere methode voorgesteld. Er is het RSA-protocol, waarvan het doel als volgt is: er worden twee sleutels gegenereerd: een openbare sleutel en een privésleutel; De privésleutel wordt gebruikt om het ontvangen bericht te decoderen, en de publieke sleutel wordt gebruikt om het te coderen. Met dit protocol kunt u dit algoritme implementeren, dat wil zeggen openbare en privésleutels maken.
Aan het einde van de 20e eeuw werd door Peter Shor een nieuw algoritme voorgesteld om de basis van het RSA-algoritme te doorbreken.Dit algoritme is volledig kwantum, enDaarom zal de opkomst van een echt werkende kwantumcomputer het mogelijk maken om moderne beveiligingssystemen te hacken. Als gevolg hiervan is er een nieuwe wetenschap ontstaan die onderzoekt naar nieuwe algoritmen om encryptiemethoden resistent te maken tegen kraken door een kwantumcomputer.
Zie ook:
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
Door klimaatverandering is de as van de aarde verschoven
NASA vertelde hoe ze monsters van Mars naar de aarde zullen brengen