Dlaczego fizyka kwantowa powinna się bać
„Jeśli fizyka kwantowa cię nie przeraża, to znaczy, że jej nie rozumiesz”
Pod koniec XX wieku wielu badaczy zdało sobie sprawę, że fizykę kwantową można wykorzystać do stworzenia nowego typu komputera.Można powiedzieć, że badacze zajmujący się zagadnieniami obliczeń kwantowych przygotowują teoretyczne podstawy teleportacji, podróży w czasie czy do światów równoległych.
W kontekście klasycznych obliczeń istnieje coś takiego jak 1 bit - jest to jednostka reprezentacji lub przechowywania informacji.Można zdefiniować podobny do klasycznego bitubit kwantowy, będący jednostką informacji kwantowej. Jeden klasyczny bit może przechowywać w dowolnym momencie jeden z dwóch stanów: zero lub jeden. Z fizycznego punktu widzenia jest to obecność lub brak sygnału elektrycznego. Podobnie jak w przypadku klasycznym, tak i w przypadku kwantowym występują stany - 0 i 1. Jednak w przeciwieństwie do klasycznych obliczeń, 1 kubit może przechowywać superpozycję tych stanów. Oznacza to, że stan bitu kwantowego jest ogólnie określany przez dwie cechy lub dwa parametry. Pierwszy parametr odpowiada za prawdopodobieństwo stanu zerowego, a drugi za prawdopodobieństwo pierwszego stanu. Bit kwantowy jest w pewnym sensie stanem probabilistycznym, ale można z niego wydobyć klasyczną informację. W tym celu stosuje się specjalną operację zwaną pomiarem.
thecode.media
Stany bazowe w przypadku kwantowym nie są jedynymi możliwymi stanami.Istnieje również stan, na przykład plus lub minus, i należy zauważyć, że stan podstawowy zależy od fizycznej realizacji bitu kwantowego.
Obliczenia kwantowe i czym różnią się od klasycznych obliczeń
Wszelkie obliczenia klasyczne opierają się na niektórych klasycznych przekształceniach.Oznacza to, że są to pewne działania, które możemy wykonaćpodjąć się klasycznego wyglądu. Na przykład operator NOT odwraca wartość klasycznego bitu. Oznacza to, że jeśli na wejściu otrzymamy 0, to na wyjściu otrzymamy 1 i odwrotnie. Do pracy z bitem kwantowym stosuje się transformacje kwantowe. Jest jedna różnica, która oddziela transformacje kwantowe od klasycznych. Transformacje kwantowe są odwracalne. Działanie dowolnego z nich można odwrócić za pomocą innej transformacji kwantowej. I w przeciwieństwie do obliczeń klasycznych, dla obliczeń kwantowych można zdefiniować inną operację zwaną „pomiarem”. Dzięki tej transformacji możemy wydobyć klasyczną informację z bitu kwantowego.
miro.medium.com
Działanie komputera kwantowego można określić za pomocą, odpowiednio, obwodu kwantowego.Jeśli obwód klasyczny składa się z transformacji klasycznych, to obwód kwantowy składa się z transformacji kwantowych.
Obliczenia kwantowe, w przeciwieństwie do klasycznych, to młoda nauka, ale są już ciekawe przykłady ich zastosowania.Na przykład obszar taki jak kryptografia -ochrona informacji, problemy optymalizacyjne są dobrze rozwiązywane za pomocą komputerów kwantowych. Tworząc prawdziwy komputer kwantowy, porównywalny z komputerami klasycznymi, będziemy w stanie rozwiązać niektóre problemy szybciej niż komputery klasyczne.
Ideą kodowania ultragęstego jest przesyłanie dwóch klasycznych bitów za pomocą jednego bitu kwantowego.Dlaczego to kodowanie nazywa siębardzo gęsty? Przypomnijmy czarną dziurę – to rodzaj ciała fizycznego, którego cała masa zapada się w jeden punkt osobliwości. Jednak w przypadku kwantowym wszystko jest znacznie bardziej prozaiczne, mówimy o kompresji danych, a nawet nie tak efektownej - po prostu o przesłaniu dwóch klasycznych bitów za pomocą jednego kubitu.
Mówi się, że dwa kubity są splątane, jeśli mierząc lub wydobywając klasyczną informację z pierwszego kubitu, możemy dokładnie określić stan drugiego kubitu.Prosty przykład:Powiedzmy, że jest brat i siostra Bob i Alice. Codziennie na śniadanie lub lunch mama przygotowuje dla nich pojemnik z jedzeniem. Ona albo nakłada sałatkę, albo kanapkę z serem. Co więcej, ani Alicja, ani Bob nie znają zawartości pojemnika, kiedy idą do szkoły. I dopiero gdy przyjdą do szkoły, otwierają swoje pojemniki: Alicja widzi sałatkę i już dokładnie wie, co jest w pojemniku Boba. Innym ciekawszym przykładem jest para skarpet. Załóżmy, że budzisz się rano i chcesz założyć skarpetki, zakładając jedną ze skarpetek na prawą stopę, będziesz mieć pewność, że druga skarpetka należy do Twojej lewej stopy lub będzie lewą skarpetką. Kodowanie ultragęste opiera się na zjawisku splątania.
Teleportacja to fizyczny ruch obiektów z jednego miejsca do drugiego w krótkim okresie czasu.Zjawisko to wynaleziono w informatyce kwantowej,a w fizyce kwantowej jest to demonstrowane eksperymentalnie. Jednak w tym przypadku nie ruszamy całego ciała fizycznego, a jedynie stan jednego kubitu. Można zauważyć, że materia jest już niewielka, teraz trzeba nauczyć się rozkładać ciała fizyczne na cząstki elementarne, a następnie po transmisji za pomocą kanału komunikacji kwantowej ponownie składać z nich ciała fizyczne. Zjawisko to opiera się również na zjawisku splątania.
„Powiedzmy, że jest sowiecki szpieg”
Kolejnym przykładem jest protokół BB84, który należy do dziedziny kryptografii.Załóżmy, że mamy pewnego sowieckiego szpiega,którego celem jest wymiana informacji ze sztabem generalnym. Istnieje kilka opcji rozwiązania tego problemu. Jedną z opcji jest użycie klucza, którego szpieg może użyć do zaszyfrowania wiadomości, a strony odbierającej do jej odszyfrowania. Problemy są dwa: jak zdobyć dany klucz, aby nikt go nie podrobił, i po drugie, jak wymienić klucz tak, aby nikt nie mógł go przechwycić. Protokół BB84 rozwiązuje ten problem.
Na początku szpieg ma jakiś generator losowych bitów i używa go do generowania losowych bitów.Używa jako bitu kwantowegopojedyncze fotony. Za ich pomocą szyfruje lub przechowuje klasyczną informację w pojedynczym fotonie, nazwijmy go kubitem. W tym przypadku, zapisując klasyczny bit do kubitu, można zastosować dwa rodzaje baz. Jako zasady wykorzystuje się różne polaryzacje pojedynczego fotonu. Aby uprościć akcję, nazwijmy te bazy bazami białymi i żółtymi. Co to oznacza: Za pomocą koloru białego i żółtego możemy zaszyfrować zarówno wartość 0, jak i wartość 1. Jeśli użyjemy żółtej podstawy, wówczas polaryzacja fotonu jest ukośna i będzie przechowywać wartość 0; jeśli na wejściu otrzymamy 1, wówczas stosowana jest polaryzacja antydiagonalna i dlatego za jej pomocą przesyłamy 1. Jeśli używana jest biała podstawa, wówczas stan 0 jest przesyłany za pomocą polaryzacji poziomej, a 1 za pomocą polaryzacji pionowej Szpieg wybiera te bazy arbitralnie: ani on, ani nikt inny nie wie, którą wybierze. Powstałe fotony o określonej polaryzacji są przesyłane do głównej siedziby, która również ma te podstawy: za ich pomocą mierzony jest tam powstały bit kwantowy. Sztab Generalny nie wie, z jakich baz korzystał sowiecki szpieg, dlatego wybiera te bazy losowo. Jednak z punktu widzenia teorii prawdopodobieństwa w połowie przypadków odgadną te podstawy. Dlatego w około połowie przypadków użyte podstawy - oraz odebrane i przesłane bity klasyczne - będą się pokrywać. Następnie Sztab Generalny przekazuje bazy, z których korzystał, a szpieg z kolei melduje, na jakich pozycjach doszło do dopasowania. Kluczem staje się ciąg uzyskany ze stanów ściśniętych. Oznacza to, że jeśli szpieg wyśle 1000 bitów klasycznej informacji, to ostatecznie klucz będzie miał około 500 znaków, czyli 500 bitów.
Istnieje trzecia osoba, fikcyjny Muller, którego celem jest podsłuchanie procesu wymiany kluczy.Jak on to robi?Przypuśćmy, że zna również wszystkie bazy używane przez szpiega i sztab generalny. Wchodzi w środek i zaczyna akceptować pojedyncze kubity ze swoimi bazami. On także nie wie, z jakich podstaw korzystał radziecki szpieg, i arbitralnie wybiera między podstawami żółtą i białą. W 50% przypadków zgadnie. W konsekwencji 50% kubitów pozostanie w tym samym stanie, w jakim zostały odebrane. Jednak około 50% odejdzie w zmienionym stanie. W rezultacie podczas odbierania tych kubitów sztab generalny otrzyma dokładnie te stany, które zostały wysłane tylko w jednej czwartej przypadków, w zasadzie będzie to sygnał, że ktoś je podsłuchuje. Gdyby nikt ich nie podsłuchał, pasowałoby 50% kluczy. Jeśli jednak ktoś ich podsłucha, tylko w jednej czwartej klucze będą się zgadzać. Dlatego pierwszym problemem, który z tobą przedstawiliśmy, jest to, jak dokładnie wygenerować klucz, aby nikt nie podsłuchiwał, nie zostanie rozwiązany w ten sposób. Gdy tylko dowiedzą się, że ktoś ich podsłuchuje, mogą zmienić kanał komunikacji. To znaczy, aby wybrać inny kanał kwantowy. Drugi problem: jak dokładnie wymienić klucz, aby nikt nie mógł go przechwycić, w tym przypadku rozwiązuje się sam, ponieważ w tym przypadku nie ma problemu z wymianą klucza.
Kiedy pojawią się prawdziwe komputery kwantowe?
W tej chwili komputery kwantowe już istnieją, a nawet są praktycznie używane w przemyśle.Tak naprawdę są to komputery, które w jakiś sposóbnajmniejszego wykorzystania efektów kwantowych. Komputery te rozwiązują ograniczony zakres problemów i są używane głównie do rozwiązywania niektórych problemów optymalizacyjnych. Na przykład firma d-wave jest jednym z twórców komputerów niemal kwantowych. Wśród klientów tej firmy są tacy giganci jak Google, kilku producentów samochodów również korzysta z komputerów niemal kwantowych.
Do chwili obecnej znanych jest już kilka postępów w tworzeniu prawdziwych komputerów kwantowych.Dosłownie rok temu został opracowanyeksperymentalny model komputera kwantowego współpracującego z dwoma kubitami. Te komputery kwantowe również nie nadają się do rozwiązywania rzeczywistych problemów, jednak warto zaznaczyć, że ich praca dobrze demonstruje działanie zasad, na których teoretycznie opierają się komputery kwantowe.
W 2019 roku zaprezentowano komputer kwantowy składający się i pracujący z 20 kubitami.Ten komputer jest używany wyłącznie dowykazanie, że zasady obliczeń kwantowych działają. Można to porównać na przykład do dwóch megabajtów pamięci RAM we współczesnym świecie, czyli w zasadzie to nic.
Obecnie pojawiają się hipotezy, że splątanie kwantowe i zjawisko tuneli czasoprzestrzennych to jedno i to samo zjawisko.Ponadto bazują same tunele czasoprzestrzennena zjawisku takim jak splątanie kwantowe. Sugeruje to, że w przyszłości opcjonalnie będzie można już sztucznie tworzyć tunele czasoprzestrzenne. To znaczy splątanie ze sobą niektórych bitów kwantowych.
Jak zmierzyć bit kwantowy
Istnieją trzy poglądy na temat pomiaru bitu kwantowego.Pierwsze spojrzenie to teoria kopenhaska,klasyczny widok procesu pomiarowego. Mówi się, że za pomocą pomiaru, otrzymując pewien klasyczny wynik, wpływamy na mierzony kubit. Jeśli rozważymy to w kontekście elektronu, to pomiar elektronu jest reprezentowany w postaci pewnej fali - to znaczy jest to pewna funkcja falowa. Ale pomiar prowadzi do tego, że dana funkcja falowa załamuje się i mamy już do czynienia z cząstką. Należy wspomnieć o niepewności Heisenberga, która stwierdza: że nie możemy jednocześnie wiedzieć o funkcji falowej i lokalizacji elektronu. Oznacza to, że jeśli zmierzymy elektron, stracimy charakterystykę funkcji falowej. I odwrotnie, znając charakterystykę funkcji falowej, nie możemy określić położenia elektronu.
Drugi pogląd to teoria Davida Bohma, która mówi, że po prostu nie mamy wszystkich informacji o układzie, ale w rzeczywistości zarówno przed pomiarem, jak i po pomiarze funkcja falowa nigdzie nie znika.Istnieją po prostu pewne ukryte parametry, które mynie wiemy. Znając te dodatkowe cechy, możemy ustalić zarówno dokładną lokalizację elektronu, jak i charakterystykę funkcji falowych. Można to porównać do rzucania zwykłą monetą. Jeśli rozważymy to z klasycznego punktu widzenia, rzut monetą jest uważany za proces losowy, to znaczy, że wyniku nie można przewidzieć. Jednak z punktu widzenia fizyki możemy dokładnie określić, znając pewne dodatkowe cechy, na którą stronę spadnie moneta. Na przykład początkowa siła uderzenia lub siła oporu powietrza i tak dalej.
Trzecim sposobem spojrzenia na proces pomiaru jest teoria wielu światów.Tę teorię wyraził Hugh Everett.Mówi, że podczas pomiaru następuje rodzaj rozszczepienia świata fizycznego. A obserwowana przez nas hipostaza, lokalizacja elektronu, jest prawdziwa tylko w naszym świecie. Równolegle powstają inne światy, w których realna jest kolejna hipostaza elektronu. Rozwijając teorię Everetta, jeden z twórców obliczeń kwantowych powiedział kiedyś, że sam Wszechświat jest więc rodzajem komputera kwantowego i wykonuje obliczenia.
Przyczyną pojawienia się kryptografii postkantowej był teoretyczny algorytm kwantowy, który pozwala złamać istniejące systemy szyfrowania.Jedno z nich jest podstawą bezpieczeństwa wielu osóbBankowość internetowa, a także podstawy szyfrowania stron internetowych. Załóżmy, że istnieje sowiecki szpieg, którego celem jest przekazywanie informacji Sztabowi Generalnemu, i istnieje osoba trzecia, która może to wszystko podsłuchać. Wcześniej przyglądaliśmy się szyfrowaniu przy użyciu jednego klucza, ale w tym konkretnym przypadku zaproponowano inną metodę. Istnieje protokół RSA, którego cel jest następujący: generowane są dwa klucze - klucz publiczny i klucz prywatny; Klucz prywatny służy do odszyfrowania otrzymanej wiadomości, a klucz publiczny służy do jej szyfrowania. Protokół ten umożliwia implementację tego algorytmu, czyli tworzenie kluczy publicznych i prywatnych.
Pod koniec XX wieku Peter Shor zaproponował nowy algorytm, który miał złamać podstawy algorytmu RSA.Algorytm ten jest całkowicie kwantowy idlatego pojawienie się naprawdę działającego komputera kwantowego umożliwi zhakowanie nowoczesnych systemów bezpieczeństwa. W rezultacie pojawiła się nowa nauka zajmująca się poszukiwaniem nowych algorytmów, które uodpornią metody szyfrowania na złamania przez komputer kwantowy.
Zobacz także:
Powstała pierwsza dokładna mapa świata. Co jest nie tak ze wszystkimi innymi?
Zmiany klimatyczne przesunęły oś Ziemi
NASA poinformowała, w jaki sposób dostarczą próbki Marsa na Ziemię