Por que a física quântica deveria temer
“Se a física quântica não te assusta, então você não a entende”,
No final do século 20, muitos pesquisadores perceberam que a física quântica poderia ser usada para criar um novo tipo de computador.Podemos dizer que os pesquisadores que lidam com as questões da computação quântica estão preparando uma base teórica para o teletransporte, viagem no tempo ou para mundos paralelos.
No contexto da computação clássica, existe algo como 1 bit - esta é uma unidade de representação ou armazenamento de informações.Semelhante ao bit clássico, pode-se definirbit quântico, que é uma unidade de informação quântica. Um bit clássico pode armazenar um de dois estados a qualquer momento: zero ou um. Do ponto de vista físico, é a presença ou ausência de um sinal elétrico. Como no caso clássico, no caso quântico existem estados - 0 e 1. Mas, diferentemente dos cálculos clássicos, 1 qubit pode armazenar uma superposição desses estados. Ou seja, o estado de um bit quântico é geralmente determinado por duas características, ou dois parâmetros. O primeiro parâmetro é responsável pela probabilidade do estado zero, e o segundo é responsável pela probabilidade do primeiro estado. Um bit quântico é, em alguns aspectos, um estado probabilístico, mas informações clássicas podem ser extraídas dele. Para fazer isso, é utilizada uma operação especial chamada medição.
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Os estados básicos no caso quântico não são os únicos estados possíveis.Há também um estado, por exemplo, mais ou menos, e deve-se notar que o estado básico depende da implementação física do bit quântico.
Computação quântica e como ela difere da computação clássica
Todos os cálculos clássicos são baseados em algumas transformações clássicas.Ou seja, essas são algumas ações que podemosempreenda com um visual clássico. Por exemplo, o operador NOT inverte o valor de um bit clássico. Ou seja, se obtivermos 0 na entrada, obteremos 1 na saída e vice-versa. Para trabalhar com um bit quântico, são utilizadas transformações quânticas. Há uma diferença que separa as transformações quânticas das clássicas. As transformações quânticas são reversíveis. A ação de qualquer um deles pode ser revertida usando alguma outra transformação quântica. E, ao contrário dos cálculos clássicos, para os cálculos quânticos pode-se definir outra operação chamada “medição”. Com esta transformação podemos extrair informação clássica de um bit quântico.
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A operação de um computador quântico pode ser determinada usando, respectivamente, um circuito quântico.Se um circuito clássico consiste em transformações clássicas, então um circuito quântico consiste em transformações quânticas.
A computação quântica, ao contrário da clássica, é uma ciência jovem, mas já existem exemplos interessantes de sua aplicação.Por exemplo, uma área como a criptografia -proteção de informações, problemas de otimização são bem resolvidos com computadores quânticos. Ao criar um computador quântico real comparável aos computadores clássicos, seremos capazes de resolver alguns problemas mais rapidamente do que os computadores clássicos.
A ideia da codificação ultradensa é transmitir dois bits clássicos usando um bit quântico.Por que essa codificação é chamadasuper denso? Vamos lembrar um buraco negro - este é um tipo de corpo físico, cuja massa total entra em colapso em um ponto de singularidade. Porém, no caso quântico, tudo é muito mais prosaico, estamos falando de compressão de dados, e nem tão impressionante - simplesmente transmitir dois bits clássicos usando um qubit.
Diz-se que dois qubits estão emaranhados se, medindo ou extraindo informações clássicas do primeiro qubit, pudermos determinar com precisão o estado do segundo qubit.Exemplo simples:Digamos que haja o irmão e a irmã Bob e Alice. Todos os dias, no café da manhã ou no almoço, a mãe prepara uma vasilha com comida para eles. Ela prepara uma salada ou um sanduíche de queijo. Além disso, nem Alice nem Bob conhecem o conteúdo do recipiente quando vão para a escola. E só quando chegam à escola abrem as embalagens: Alice vê a salada e já sabe exatamente o que tem na embalagem de Bob. Outro exemplo mais interessante é um par de meias. Digamos que você acorda de manhã e quer calçar meias, ao colocar uma das meias no pé direito, você terá certeza que a segunda meia pertence ao seu pé esquerdo ou será a meia esquerda. A codificação ultradensa é baseada no fenômeno do emaranhamento.
Teletransporte é o movimento físico de objetos de um lugar para outro em um curto período de tempo.Este fenômeno é inventado na computação quântica,e na física quântica isso é demonstrado experimentalmente. Porém, neste caso não estamos movendo todo o corpo físico, mas apenas o estado de um qubit. Pode-se notar que a questão já é pequena, agora é preciso aprender a dividir os corpos físicos em partículas elementares, e então, após a transmissão por meio de um canal de comunicação quântica, recompor os corpos físicos a partir deles. Este fenômeno também se baseia no fenômeno do emaranhamento.
“Digamos que haja um espião soviético…”
O próximo exemplo é o protocolo BB84, que pertence ao campo da criptografia.Suponha que temos um certo espião soviético,cujo objetivo é trocar informações com o Estado-Maior. Existem várias opções para resolver este problema. Uma opção é usar uma chave que o espião possa usar para criptografar a mensagem e a parte receptora para descriptografá-la. Existem dois problemas: como obter uma determinada chave para que ninguém a possa falsificar e, em segundo lugar, como trocar a chave de tal forma que ninguém a possa interceptar. O protocolo BB84 resolve esse problema.
No início, o espião tem algum tipo de gerador de bits aleatórios e o usa para gerar bits aleatórios.Ele usa como um bit quânticofótons únicos. Com a ajuda deles, ele criptografa ou armazena informações clássicas em um único fóton, vamos chamá-lo de qubit. Neste caso, ao escrever um bit clássico em um qubit, dois tipos de bases podem ser usados. Diferentes polarizações de um único fóton são usadas como bases. Para simplificar a ação, vamos chamar essas bases de bases branca e amarela. O que isto significa: Com branco e amarelo, podemos criptografar tanto o valor 0 quanto o valor 1. Se usarmos uma base amarela, então a polarização do fóton é diagonal e armazenará o valor 0; se recebermos 1 na entrada, então a polarização antidiagonal é usada e, portanto, com a ajuda dela transmitimos 1. Se for usada uma base branca, então o estado 0 é transmitido com a ajuda da polarização horizontal, e 1 com a ajuda de polarização vertical. O espião escolhe essas bases arbitrariamente: nem ele, nem ninguém, sabe qual escolherá. Os fótons resultantes com uma certa polarização são transmitidos para a sede geral, que também possui essas bases: com a ajuda deles, o bit quântico resultante é medido ali. O Estado-Maior não sabe quais bases o espião soviético utilizou, portanto, eles escolhem essas bases aleatoriamente. Mas, do ponto de vista da teoria das probabilidades, em metade dos casos eles adivinharão essas bases. E, portanto, em cerca de metade dos casos, as bases utilizadas – e os bits clássicos recebidos e transmitidos – coincidirão. Em seguida, o Estado-Maior transmite as bases que utilizou, e o espião, por sua vez, informa em quais posições ocorreu a partida. A string obtida dos estados comprimidos torna-se a chave. Ou seja, se um espião enviar 1.000 bits de informação clássica, no final a chave terá cerca de 500 caracteres, ou 500 bits.
Há uma terceira pessoa, o fictício Muller, cujo objetivo é escutar o processo de troca de chaves.Como ele faz isso?Suponha que ele também conheça todas as bases usadas pelo espião e pelo estado-maior geral. Ele fica no meio e começa a aceitar qubits únicos com suas bases. Ele também não sabe quais bases o espião soviético usou e escolhe arbitrariamente entre as bases amarela e branca. Em 50% dos casos, ele adivinhará. Conseqüentemente, 50% dos qubits sairão no mesmo estado em que foram recebidos. No entanto, cerca de 50% sairão em um estado alterado. Como resultado, ao receber esses qubits, o estado-maior receberá exatamente os estados que foram enviados apenas em um quarto dos casos, em princípio, isso será um sinal de que alguém os está espionando. Se ninguém os tivesse ouvido, 50% das chaves seriam iguais. No entanto, se alguém os espionar, apenas um quarto das vezes as chaves corresponderão. Portanto, o primeiro problema que expressamos com você é como exatamente gerar uma chave para que ninguém bisbilhote seja resolvido dessa forma. Assim que descobrirem que alguém os está espionando, eles podem mudar o canal de comunicação. Ou seja, para escolher um canal quântico diferente. O segundo problema: como exatamente trocar uma chave para que ninguém possa interceptar, neste caso se resolve por si mesmo, já que não há problema de troca de chave neste caso.
Quando os computadores quânticos reais aparecerão?
No momento, os computadores quânticos já existem e são até usados na prática industrial.Na verdade, são computadores que de alguma formamenor uso de efeitos quânticos. Esses computadores resolvem uma gama limitada de problemas e são usados principalmente para resolver alguns problemas de otimização. Por exemplo, a empresa d-wave é uma das desenvolvedoras de computadores quase quânticos. Entre os clientes desta empresa estão gigantes como o Google, várias montadoras também utilizam computadores quase quânticos.
Até o momento, já são conhecidos vários desenvolvimentos que estão sendo realizados na criação de computadores quânticos reais.Literalmente há um ano foi desenvolvidomodelo experimental de um computador quântico que funciona com dois qubits. Esses computadores quânticos também não são adequados para resolver problemas reais, mas é importante notar que seu trabalho demonstra bem o funcionamento dos princípios nos quais os computadores quânticos se baseiam teoricamente.
Em 2019, foi apresentado um computador quântico, consistindo em e trabalhando com 20 qubits.Este computador é usado exclusivamente parademonstrando que os princípios da computação quântica funcionam. Isso pode ser comparado a dois megabytes, por exemplo, de RAM no mundo moderno, ou seja, em princípio, não é nada.
Agora, existem hipóteses de que o emaranhado quântico e o fenômeno dos buracos de minhoca são o mesmo fenômeno.Além disso, os próprios buracos de minhoca são baseadosem um fenômeno como o emaranhamento quântico. Isso sugere que no futuro, como opção, será possível criar buracos de minhoca já artificialmente. Isto é, emaranhar alguns bits quânticos uns com os outros.
Como medir o bit quântico
Existem três visões sobre como medir um bit quântico.A primeira olhada é a teoria de Copenhague,uma visão clássica do processo de medição. Diz que com a ajuda da medição, nós, recebendo um certo resultado clássico, influenciamos o qubit medido. Se considerarmos isso no contexto de um elétron, então a medição de um elétron é representada na forma de uma certa onda - isto é, é uma certa função de onda. Mas a medição leva ao fato de que a função de onda dada entra em colapso, e já estamos lidando com uma partícula. É importante mencionar a incerteza de Heisenberg, que afirma: que não podemos saber sobre a função de onda e a localização do elétron ao mesmo tempo. Ou seja, se medirmos um elétron, perderemos as características da função de onda. Por outro lado, conhecendo as características da função de onda, não podemos determinar a localização do elétron.
A segunda visão é a teoria de David Bohm, que diz que simplesmente não temos todas as informações sobre o sistema, mas na realidade, tanto antes quanto depois da medição, a função de onda não desaparece em lugar nenhum.Existem simplesmente alguns parâmetros ocultos quenão sabemos. E conhecendo estas características adicionais, podemos estabelecer tanto a localização exata do eletrão como as características das funções de onda. Isso pode ser comparado ao lançamento de uma moeda comum. Se considerarmos do ponto de vista clássico, o lançamento de uma moeda é considerado um processo aleatório, ou seja, o resultado não pode ser previsto. Porém, do ponto de vista da física, podemos determinar com precisão, conhecendo algumas características adicionais, de que lado a moeda cairá. Por exemplo, a força inicial do impacto ou a força da resistência do ar e assim por diante.
E uma terceira forma de encarar o processo de medição é a teoria dos mundos múltiplos.Esta teoria foi expressa por Hugh Everett.Diz que ao medir, ocorre uma espécie de divisão do mundo físico. E a hipóstase que observamos, a localização do elétron, é real apenas em nosso mundo. Paralelamente, outros mundos são criados, nos quais outra hipóstase do elétron é real. Desenvolvendo a teoria de Everett, um dos criadores da computação quântica certa vez disse que, portanto, o próprio Universo é uma espécie de computador quântico e realiza cálculos.
A razão para o surgimento da criptografia pós-quântica foi um algoritmo quântico teórico que permite quebrar os sistemas de criptografia existentes.Um deles é a base para a segurança de muitosInternet banking, bem como a base para criptografia de sites. Suponha que exista um espião soviético cujo objetivo seja transmitir informações ao Estado-Maior e que exista um terceiro que possa escutar tudo isso. Anteriormente, analisamos a criptografia usando uma única chave, mas neste caso específico é proposto um método diferente. Existe o protocolo RSA, cuja finalidade é a seguinte: são geradas duas chaves - uma chave pública e outra privada; A chave privada é usada para descriptografar a mensagem recebida e a chave pública é usada para criptografá-la. Este protocolo permite implementar este algoritmo, ou seja, criar chaves públicas e privadas.
No final do século 20, um novo algoritmo foi proposto por Peter Shor para quebrar a base do algoritmo RSA.Este algoritmo é completamente quântico e,portanto, o surgimento de um computador quântico realmente funcional tornará possível hackear sistemas de segurança modernos. Como resultado, surgiu uma nova ciência que está buscando novos algoritmos para tornar os métodos de criptografia resistentes à quebra por um computador quântico.
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