Hvorfor kvantefysikk skal frykte
"Hvis kvantefysikk ikke skremmer deg, får du det ikke."
På slutten av det 20. århundre innså mange forskere at kvantefysikk kunne brukes til å lage en ny type datamaskin.Vi kan si at forskere som håndterer problemene med kvanteberegning forbereder et teoretisk grunnlag for teleportering, tidsreiser eller til parallelle verdener.
I sammenheng med klassisk databehandling er det noe som 1 bit - dette er en representasjonsenhet eller lagring av informasjon.I likhet med en klassisk bit kan en kvantebit, som er en enhet for kvanteinformasjon, defineres.En klassisk bit kan lagre hvert øyeblikkFra et fysisk synspunkt er det tilstedeværelsen eller fraværet av et elektrisk signal.Som i det klassiske tilfellet er det tilstander på 0 og 1 i kvantetilfellet.Men i motsetning til klassisk databehandling kan 1 qubitDet vil si at tilstanden til en kvantebit generelt bestemmes av to egenskaper, eller to parametere.Den første parameteren er ansvarlig for sannsynligheten for nullstaten, og den andre parameteren er ansvarlig for sannsynligheten for den første tilstanden.En kvantekamp er en slags probabilistisk tilstand, men det er mulig å trekke ut klassisk informasjon fra den.For å gjøre dette brukes en spesiell operasjon kalt måling.
thecode.media
Grunntilstander i kvantesaken er ikke de eneste mulige tilstandene.Det er også en stat, for eksempel pluss eller minus, og det skal bemerkes at grunnstaten avhenger avfra den fysiske implementeringen av kvantebiten.
Quantum computing og hvordan det skiller seg fra klassisk databehandling
Eventuelle klassiske beregninger er basert på noen klassiske transformasjoner.Det vil si at dette er noen handlinger vi kan ta med et klassisk utseende.For eksempel inverterer operatøren IKKE verdien av en klassisk bit.Det vil si at hvis vi får 0 ved inngangen, får vi 1 ved utgangen, og omvendt.Kvantetransformasjoner brukes til å arbeide med en kvantebit.Kvantetransformasjoner er reversible.Virkningen av en av dem kan reverseres av en annen kvantetransformasjon.Og, i motsetning til klassisk databehandling, for kvanteberegning, kan du definere en annen operasjon kalt "måling".Med denne transformasjonen kan vi trekke ut klassisk informasjon fra en kvantebit.
miro.medium.com
Driften av en kvantecomputer kan bestemmes ved bruk av henholdsvis en kvantekrets.Hvis en klassisk krets består av klassiske transformasjoner, består en kvantekrets av kvantetransformasjoner.
Quantum computing, i motsetning til klassisk, er en ung vitenskap, men det er allerede interessante eksempler på deres anvendelse.For eksempel er et slikt felt som kryptografi - informasjonsbeskyttelse - optimaliseringsproblemer godt løst ved hjelp av kvantedatamaskiner.Ved å lage en ekte kvantedatamaskin som kan sammenlignes med klassiske datamaskiner, vil vi kunne løse noen problemer raskere enn klassiske datamaskiner.
Ideen bak ultratett koding er å bruke en enkelt kvantebit for å overføre to klassiske biter.La oss huske et svart hull, en fysisk kropp hvis hele masse kollapser til et enkelt singularitetspunkt.Men i kvantetilfellet er alt mye mer prosaisk, vi snakker om datakomprimering, og til og med ikke så imponerende - bare overføringen av to klassiske biter ved hjelp av en qubit.
To qubits sies å være viklet inn hvis vi, ved å måle eller trekke ut klassisk informasjon fra den første qubit, nøyaktig kan bestemme tilstanden til den andre qubit.Et enkelt eksempel: la oss si at det er brødre, søster Bob og Alice.Hver dag til frokost eller lunsj forbereder moren en beholder for demHun legger enten en salat eller en ostesmørbrød.Samtidig vet verken Alice eller Bob når de drar på skolenOg først når de kommer på skolen, åpner de beholderne sine: Alice sersalat, og vet allerede nøyaktig hva som er i Bobs beholder.La oss si at du våkner om morgenen og vil ta på deg sokker, sette en av sokkene på høyre fot, du vil med sikkerhet vite at den andre sokken tilhører deg.Ultratett koding er basert på fenomenet sammenfiltring.
Teleportering er den fysiske bevegelsen av gjenstander fra ett sted til et annet på kort tid.Et slikt fenomen ble oppfunnet i kvanteberegning, og eksperimentelt demonstrert i kvantefysikk.I dette tilfellet beveger vi imidlertid ikke hele den fysiske kroppen, men bare tilstanden til en qubit.Det kan bemerkes at det bare er en ting igjen å gjøre, nå er det nødvendig å lære å splitte fysiske legemer i elementære partikler, og deretter, etter overføring ved hjelp av en kvantekommunikasjonskanal, å samle fysiske kropper tilbake fra dem.Dette fenomenet er også basert på fenomenet sammenfiltring.
«La oss si at det er en sovjetisk spion ...»
Det neste eksemplet er BB84-protokollen, som tilhører feltet kryptografi.Anta at vi har en sovjetisk spion hvis formål er å utveksle informasjon med generalstaben.Ett alternativ er å bruke en nøkkel som spionen kan bruke til å kryptere meldingen og mottakeren til å dekryptere den.Det er to problemer: hvordan du får en gitt nøkkel slik at ingen kan smi den, og for det andre, hvordan du bytter nøkkelen på en slik måte at ingen kan fange den.BB84-protokollen løser dette problemet.
I begynnelsen har spionen en slags tilfeldig bitgenerator og bruker den til å generere tilfeldige biter.Den brukes som en kvantebitenkeltfotoner. Med deres hjelp krypterer eller lagrer han klassisk informasjon i et enkelt foton, la oss bare kalle det en qubit. I dette tilfellet, når du skriver en klassisk bit til en qubit, kan to typer baser brukes. Ulike polarisasjoner av et enkelt foton brukes som baser. For å forenkle handlingen, la oss kalle disse basene de hvite og gule basene. Hva dette betyr: Med hvitt og gult kan vi kryptere både verdien 0 og verdien 1. Hvis vi bruker en gul basis, så er polarisasjonen til fotonet diagonal, og det vil lagre verdien 0; hvis vi mottar 1 ved inngangen, brukes antidiagonal polarisering, og derfor sender vi 1 med dens hjelp. Hvis en hvit basis brukes, overføres tilstanden 0 ved hjelp av horisontal polarisering, og 1 med hjelpen av vertikal polarisering Spionen velger disse basene vilkårlig: verken han, eller noen andre, vet hvilken han vil velge. De resulterende fotonene med en viss polarisering blir overført til det generelle hovedkvarteret, som også har disse basene: med deres hjelp blir den resulterende kvantebiten målt der. Generalstaben vet ikke hvilke baser den sovjetiske spionen brukte, derfor velger de disse basene tilfeldig. Men fra sannsynlighetsteoriens synspunkt vil de i halvparten av tilfellene gjette disse basene. Og derfor, i omtrent halvparten av tilfellene, vil basene som brukes - og de mottatte og overførte klassiske bitene - falle sammen. Deretter sender generalstaben basene den brukte, og spionen rapporterer på sin side i hvilke posisjoner kampen fant sted. Strengen som ble hentet fra de klemte tilstandene blir nøkkelen. Det vil si at hvis en spion sender 1000 biter med klassisk informasjon, vil nøkkelen til slutt være på omtrent 500 tegn, eller 500 biter.
Det er en tredje person, en betinget Mueller, hvis mål er å avlytte prosessen med å utveksle nøkkelen.Hvordan gjør han det?Anta at han også kjenner alle basene som brukes av spionen og generalstaben. Det kommer i midten og begynner å godta enkelt qubits med basene. Også han vet ikke hvilke baser den sovjetiske spionen brukte, og velger vilkårlig mellom den gule og den hvite basen. I 50% av tilfellene vil han gjette. Følgelig vil 50% av qubittene være i samme tilstand som de ble mottatt. Imidlertid vil omtrent 50% dra i endret tilstand. Som et resultat, når de mottar disse qubits, vil generalstaben motta nøyaktig statene som ble sendt bare i en fjerdedel av tilfellene, i prinsippet vil dette være et signal om at noen avlytter dem. Hvis ingen overhørte dem, ville 50% av nøklene deres matche. Imidlertid, hvis noen hører på dem, vil bare en fjerdedel av tiden tastene matche. Derfor er det første problemet vi har uttalt med deg, at hvordan man genererer en nøkkel, slik at ingen kan høre på, blir løst på denne måten. Så snart de finner ut at noen lytter til dem, kan de endre kommunikasjonskanalen. Det vil si å velge en annen kvantekanal. Det andre problemet: hvordan du nøyaktig bytter ut en nøkkel slik at ingen kan fange opp, i dette tilfellet løses det av seg selv, siden det ikke er noe nøkkelutvekslingsproblem i dette tilfellet.
Når vises virkelige kvantecomputere?
For øyeblikket eksisterer allerede kvantecomputere og blir til og med praktisk brukt industrielt.Faktisk er dette datamaskiner som brukerDisse datamaskinene løser et begrenset utvalg av problemer og brukes hovedsakelig til å løse noen optimaliseringsproblemer.For eksempel er d-wave en av utviklerne av nesten kvantedatamaskiner.Blant klientene til dette selskapet er slike giganter som Google, bruker flere bilprodusenter ogsånesten kvantedatamaskiner.
Hittil er det allerede kjent at flere utviklinger er i gang i etableringen av ekte kvantedatamaskiner.For bare et år siden ble det utviklet en eksperimentell modell av en kvantedatamaskin som fungererDisse kvantedatamaskinene er heller ikke egnet for å løse virkelige problemer, men det er viktig å merke seg at deres arbeid demonstrerer godtprinsippene som kvantedatamaskiner er teoretisk basert på.
I 2019 ble en kvantecomputer presentert, bestående av og arbeidet med 20 qubits.Denne datamaskinen brukes utelukkende til å demonstrere at prinsippene for kvanteberegning fungerer.Dette kan sammenlignes med to megabyte, for eksempel RAM i den moderne verden, det er i prinsippet om ingenting.
Det er nå antatt at kvantesammenfiltring og fenomenet ormehuller ett og samme fenomen.Dessuten er ormehullene basertpå et slikt fenomen som kvanteforvikling. Dette antyder at det i fremtiden vil være mulig å lage ormehull allerede kunstig. Det vil si å vikle sammen noen kvantebiter med hverandre.
Hvordan måle kvantbiten
Det er tre måter å se på å måle en kvantebit.Første titt er Københavns teori,et klassisk syn på måleprosessen. Det står at ved hjelp av måling påvirker vi, mottatt et visst klassisk resultat, den målte qubit. Hvis vi betrakter det i sammenheng med et elektron, er måling av et elektron representert i form av en bestemt bølge - det vil si at det er en viss bølgefunksjon. Men målingen fører til at den gitte bølgefunksjonen kollapser, og vi har allerede å gjøre med en partikkel. Det er viktig å nevne Heisenberg-usikkerheten, som sier: at vi ikke kan vite om bølgefunksjonen og plasseringen av elektronet samtidig. Det vil si at hvis vi måler et elektron, mister vi bølgefunksjonens egenskaper. Omvendt, ved å kjenne egenskapene til bølgefunksjonen, kan vi ikke bestemme plasseringen av elektronet.
Det andre synet er teorien til David Bohm, som sier at vi rett og slett ikke har all informasjon om systemet, men i virkeligheten både før måling, og etter måling, forsvinner ikke bølgefunksjonen noe sted.Det er bare at det er noen skjulte parametere som vi ikke vet, og å vite disse tilleggsegenskapene, kan vi bestemme både den nøyaktige plasseringen av elektronen og egenskapene til bølgefunksjonene.Fra et klassisk synspunkt anses kastet av en mynt å være en tilfeldig prosess, det vil si resultatetMen fra fysikkens synspunkt kan vi med sikkerhet bestemme noen ekstra egenskaper, hvilken side vil falleFor eksempel, den første kraften av virkningen, eller kraften av luftmotstand, og så videre.
Og den tredje måten å se på måleprosessen er teorien om flere verdener.Denne teorien ble uttrykt av Hugh Everett.Det står at når man måler, oppstår en slags splitting av den fysiske verden. Og hypostasen som vi observerer, plasseringen av elektronet, er bare virkelig i vår verden. Parallelt skapes andre verdener der en annen hypostase av elektronet er ekte. Ved å utvikle Everetts teori sa en av skaperne av quantum computing en gang at universet i seg selv er en slags kvantecomputer og utfører beregninger.
Årsaken til fremveksten av post-quantum kryptografi var en teoretisk kvantealgoritme som lar deg knekke eksisterende krypteringssystemer.En av dem er ryggraden i sikkerheten til mange internettbanker, samt ryggraden i nettstedkryptering.Anta at det er en sovjetisk spion hvis formål er å overføre informasjon til generalstaben, og det er en tredjepart som kanFrem til dette punktet har vi sett på enkeltnøkkelkryptering, men i dette spesielle tilfellet foreslås en annen metode.Det er RSA-protokollen, hvis formål er å generere to nøkler, en offentlig nøkkel og en privat nøkkel; Den private nøkkelen brukes til å dekryptere den mottatte meldingen, og fellesnøkkelen brukes til å kryptere meldingen.Denne protokollen lar deg implementere denne algoritmen, det vil si å lage offentlige og private nøkler.
På slutten av 1900-tallet ble en ny algoritme foreslått av Peter Shor for å bryte grunnlaget for RSA-algoritmen.Denne algoritmen er helt kvante, og derfor vil fremveksten av en ekte fungerende kvantedatamaskin tillateSom et resultat har det oppstått en ny vitenskap som undersøkernye algoritmer for å lage resistente krypteringsmetoder for å knekke av en kvantedatamaskin.
Se også:
Det første nøyaktige kartet over verden ble opprettet. Hva er galt med alle andre?
Klimaendringene har forskjøvet jordaksen
NASA fortalte hvordan de vil levere prøver av Mars til jorden