Prečo by sa mala kvantová fyzika báť
"Ak ťa kvantová fyzika nevystraší, potom jej nerozumieš,"
Na konci 20. storočia si mnohí výskumníci uvedomili, že na vytvorenie nového typu počítača možno použiť kvantovú fyziku.Môžeme povedať, že vedci zaoberajúci sa problematikou kvantovej výpočtovej techniky pripravujú teoretické základy pre teleportáciu, cestovanie v čase alebo pre paralelné svety.
V súvislosti s klasickým výpočtom existuje niečo ako 1 bit - to je jednotka reprezentácie alebo ukladania informácií.Podobne ako pri klasickom bite možno definovaťkvantový bit, čo je jednotka kvantovej informácie. Jeden klasický bit môže kedykoľvek uložiť jeden z dvoch stavov: buď nulu, alebo jednotku. Z fyzikálneho hľadiska ide o prítomnosť alebo neprítomnosť elektrického signálu. Rovnako ako v klasickom prípade, aj v kvantovom prípade existujú stavy - 0 a 1. Ale na rozdiel od klasických výpočtov môže 1 qubit uložiť superpozíciu týchto stavov. To znamená, že stav kvantového bitu je vo všeobecnosti určený dvoma charakteristikami alebo dvoma parametrami. Prvý parameter je zodpovedný za pravdepodobnosť nulového stavu a druhý je zodpovedný za pravdepodobnosť prvého stavu. Kvantový bit je istým spôsobom pravdepodobnostný stav, ale dajú sa z neho extrahovať klasické informácie. Na tento účel sa používa špeciálna operácia nazývaná meranie.
thecode.media
Základné stavy v kvantovom prípade nie sú jedinými možnými stavmi.Existuje aj stav, napríklad plus alebo mínus, a treba poznamenať, že základný stav závisí od fyzickej implementácie kvantového bitu.
Kvantové výpočty a ako sa líšia od klasických výpočtov
Všetky klasické výpočty sú založené na niektorých klasických transformáciách.To znamená, že toto sú niektoré akcie, ktoré môžemevykonať s klasickým vzhľadom. Napríklad operátor NOT invertuje hodnotu klasického bitu. To znamená, že ak dostaneme 0 na vstupe, potom dostaneme 1 na výstupe a naopak. Na prácu s kvantovým bitom sa používajú kvantové transformácie. Existuje jeden rozdiel, ktorý oddeľuje kvantové transformácie od klasických. Kvantové transformácie sú reverzibilné. Pôsobenie ktoréhokoľvek z nich je možné zvrátiť pomocou nejakej inej kvantovej transformácie. A na rozdiel od klasických výpočtov, pre kvantové výpočty možno definovať ďalšiu operáciu nazývanú „meranie“. Touto transformáciou môžeme extrahovať klasickú informáciu z kvantového bitu.
miro.medium.com
Činnosť kvantového počítača je možné určiť pomocou kvantového obvodu.Ak klasický obvod pozostáva z klasických transformácií, potom kvantový obvod pozostáva z kvantových.
Kvantové výpočty sú na rozdiel od klasických výpočtov mladou vedou, existujú však už zaujímavé príklady ich použitia.Napríklad oblasť, ako je kryptografia -ochrana informácií, optimalizačné problémy sú dobre vyriešené pomocou kvantových počítačov. Vytvorením skutočného kvantového počítača porovnateľného s klasickými počítačmi budeme schopní vyriešiť niektoré problémy rýchlejšie ako klasické počítače.
Myšlienka ultrahustého kódovania je prenášať dva klasické bity pomocou jedného kvantového bitu.Prečo sa toto kódovanie nazývasuper hustý? Spomeňme si na čiernu dieru - to je druh fyzického tela, ktorého celá hmota sa zrúti do jedného bodu singularity. V kvantovom prípade je však všetko oveľa prozaickejšie, hovoríme o kompresii dát, a to ani nie tak pôsobivé – jednoducho prenos dvoch klasických bitov pomocou jedného qubitu.
O dvoch qubitoch sa hovorí, že sú zapletené, ak meraním alebo extrakciou klasickej informácie z prvého qubitu vieme presne určiť stav druhého qubitu.Jednoduchý príklad:Povedzme, že sú tam brat a sestra Bob a Alice. Každý deň na raňajky alebo obed im mama pripraví nádobu s jedlom. Buď si dá šalát alebo syrový sendvič. Navyše ani Alice, ani Bob nepoznajú obsah nádoby, keď idú do školy. A až keď prídu do školy, otvoria svoje nádoby: Alice vidí šalát a už presne vie, čo je v Bobovej nádobe. Ďalším zaujímavejším príkladom je pár ponožiek. Povedzme, že sa ráno zobudíte a chcete si obuť ponožky, keď si jednu z ponožiek navlečiete na pravú nohu, s istotou budete vedieť, že druhá ponožka patrí vašej ľavej nohe alebo to bude ľavá ponožka. Ultra-husté kódovanie je založené na fenoméne zapletenia.
Teleportácia je fyzický pohyb objektov z jedného miesta na druhé v krátkom časovom období.Tento jav je vynájdený v kvantovej výpočtovej technike,a v kvantovej fyzike je to experimentálne dokázané. V tomto prípade však nehýbeme celým fyzickým telom, ale len stavom jedného qubitu. Dá sa poznamenať, že hmota je už malá, teraz sa musíte naučiť, ako rozdeliť fyzické telá na elementárne častice a potom, po prenose pomocou kvantového komunikačného kanála, z nich fyzické telá opäť poskladať. Tento jav je tiež založený na fenoméne zapletenia.
"Povedzme, že existuje sovietsky špión…"
Ďalším príkladom je protokol BB84, ktorý patrí do oblasti kryptografie.Predpokladajme, že máme istého sovietskeho špióna,ktorých účelom je výmena informácií s generálnym štábom. Existuje niekoľko možností riešenia tohto problému. Jednou z možností je použiť kľúč, ktorý môže špión použiť na zašifrovanie správy a príjemca na jej dešifrovanie. Existujú dva problémy: ako získať daný kľúč, aby ho nikto nemohol sfalšovať, a po druhé, ako vymeniť kľúč tak, aby ho nikto nemohol zachytiť. Tento problém rieši protokol BB84.
Na začiatku má špión nejaký generátor náhodných bitov a používa ho na generovanie náhodných bitov.Používa sa ako kvantový bitjednotlivé fotóny. S ich pomocou zašifruje alebo uloží klasickú informáciu do jedného fotónu, nazvime ho len qubit. V tomto prípade pri zápise klasického bitu do qubitu možno použiť dva typy báz. Ako bázy sa používajú rôzne polarizácie jedného fotónu. Pre zjednodušenie akcie nazvime tieto základy bielym a žltým základom. Čo to znamená: Pomocou bielej a žltej môžeme zašifrovať hodnotu 0 aj hodnotu 1. Ak použijeme žltý základ, polarizácia fotónu je diagonálna a uloží hodnotu 0; ak na vstupe prijmeme 1, tak sa použije antidiagonálna polarizácia, a teda pomocou nej vysielame 1. Ak sa použije biely základ, tak sa stav 0 prenáša horizontálnou polarizáciou a 1 vertikálnou polarizáciou. Špión si vyberie tieto základy svojvoľne: ani on, ani nikto iný nevie, ktorú si vyberie. Výsledné fotóny s určitou polarizáciou sa prenášajú na generálne veliteľstvo, ktoré má tiež tieto základne: s ich pomocou sa tam meria výsledný kvantový bit. Generálny štáb nevie, ktoré základne sovietsky špión používal, preto náhodne vyberá tieto základne. Ale z pohľadu teórie pravdepodobnosti v polovici prípadov tieto základy uhádnu. A preto sa asi v polovici prípadov použité bázy - a prijaté a vysielané klasické bity - zhodujú. Ďalej generálny štáb odovzdá základne, ktoré použil, a špión zase hlási, na ktorých pozíciách došlo k zápasu. Reťazec, ktorý bol získaný zo stlačených stavov, sa stáva kľúčom. To znamená, že ak špión pošle 1 000 bitov klasickej informácie, tak nakoniec bude mať kľúč asi 500 znakov alebo 500 bitov.
Existuje tretia osoba, fiktívny Muller, ktorého cieľom je odpočúvať proces výmeny kľúčov.Ako to robí?Predpokladajme, že pozná aj všetky základne, ktoré používa špión a hlavný štáb. Dostane sa do stredu a začne so svojimi základňami prijímať jednotlivé qubity. Aj on nevie, ktoré základne použil sovietsky špión, a svojvoľne si vyberá medzi žltou a bielou základňou. V 50% prípadov uhádne. V dôsledku toho 50% qubits opustí v rovnakom stave, v akom boli prijaté. Asi 50% však odíde v zmenenom stave. Výsledkom je, že keď generálny štáb dostane tieto qubits, dostane presne tie štáty, ktoré boli vyslané iba v štvrtine prípadov, v zásade to bude signál, že ich niekto odpočúva. Ak ich nikto nepočul, potom by sa im zhodovalo 50% ich kľúčov. Ak ich však niekto odpočúva, zhoduje sa iba štvrtina času. Prvým problémom, ktorý sme s vami vyjadrili, je preto to, ako presne vygenerovať kľúč, aby nikto nepočul kvapky týmto spôsobom. Hneď ako zistia, že ich niekto odpočúva, môžu zmeniť komunikačný kanál. To znamená zvoliť iný kvantový kanál. Druhý problém: ako presne vymeniť kľúč, aby nikto nemohol odpočúvať, je v tomto prípade vyriešený sám, pretože v tomto prípade neexistuje žiadny problém s výmenou kľúča.
Kedy sa objavia skutočné kvantové počítače?
V súčasnosti kvantové počítače už existujú a dokonca sa aj prakticky využívajú priemyselne.V skutočnosti ide o počítače, ktoré nejakým spôsobomminimálne využitie kvantových efektov. Tieto počítače riešia obmedzený rozsah problémov a používajú sa hlavne na riešenie niektorých optimalizačných problémov. Napríklad spoločnosť d-wave patrí medzi vývojárov takmer kvantových počítačov. Medzi klientov tejto spoločnosti patria takí giganti ako Google, viaceré automobilky využívajú aj takmer kvantové počítače.
K dnešnému dňu je už známych niekoľko vývojov, ktoré sa realizujú pri vytváraní skutočných kvantových počítačov.Doslova pred rokom bol vyvinutýexperimentálny model kvantového počítača, ktorý pracuje s dvoma qubitmi. Tieto kvantové počítače tiež nie sú vhodné na riešenie skutočných problémov, ale je dôležité poznamenať, že ich práca dobre demonštruje fungovanie princípov, na ktorých sú kvantové počítače teoreticky založené.
V roku 2019 bol predstavený kvantový počítač, ktorý pozostáva a pracuje s 20 qubitmi.Tento počítač slúži čisto nademonštruje, že princípy kvantových počítačov fungujú. To možno prirovnať napríklad k dvom megabajtom pamäte RAM v modernom svete, to znamená, že v zásade to nie je nič.
Teraz existujú hypotézy, že kvantové zapletenie a fenomén červích dier sú jeden a ten istý jav.Navyše, samotné červie diery sú založenéna takom jave, ako je kvantové zapletenie. To naznačuje, že v budúcnosti bude možné vytvoriť červie diery už umelo. To znamená vzájomné zapletenie niektorých kvantových bitov.
Ako merať kvantový bit
Existujú tri pohľady na meranie kvantového bitu.Prvý pohľad je kodanská teória,klasický pohľad na proces merania. Hovorí, že pomocou merania my, dostávajúci určitý klasický výsledok, ovplyvňujeme meraný qubit. Ak to vezmeme do úvahy v kontexte elektrónu, potom je meranie elektrónu znázornené vo forme určitej vlny - to znamená, že ide o určitú vlnovú funkciu. Meranie ale vedie k tomu, že sa daná vlnová funkcia zrúti a my už máme do činenia s časticou. Je dôležité spomenúť Heisenbergovu neistotu, ktorá hovorí: že nemôžeme vedieť o vlnovej funkcii a umiestnení elektrónu súčasne. To znamená, že ak zmeriame elektrón, stratíme charakteristiku vlnovej funkcie. Naopak, ak poznáme vlastnosti vlnovej funkcie, nemôžeme určiť umiestnenie elektrónu.
Druhým pohľadom je teória Davida Bohma, ktorá hovorí, že jednoducho nemáme všetky informácie o systéme, ale v skutočnosti tak pred meraním, ako aj po meraní vlnová funkcia nikde nezmizne.Existujú jednoducho nejaké skryté parametre, ktoré smenevieme. A keď poznáme tieto dodatočné charakteristiky, môžeme určiť presné umiestnenie elektrónu aj charakteristiky vlnových funkcií. Dá sa to prirovnať k hodu obyčajnou mincou. Ak to vezmeme z klasického hľadiska, hod mincou sa považuje za náhodný proces, to znamená, že výsledok sa nedá predpovedať. Z hľadiska fyziky však vieme s vedomím niektorých ďalších charakteristík presne určiť, na ktorú stranu minca padne. Napríklad počiatočná sila nárazu alebo sila odporu vzduchu a pod.
A tretím spôsobom pohľadu na proces merania je teória viacerých svetov.Túto teóriu vyjadril Hugh Everett.Hovorí sa v ňom, že pri meraní nastáva akési štiepenie fyzického sveta. A hypostáza, ktorú pozorujeme, umiestnenie elektrónu, je skutočná iba v našom svete. Paralelne s tým vznikajú ďalšie svety, v ktorých je skutočná ďalšia hypostáza elektrónu. Pri vývoji Everettovej teórie jeden z tvorcov kvantovej výpočty raz povedal, že teda samotný vesmír je akýmsi kvantovým počítačom a vykonáva výpočty.
Dôvodom pre vznik post-kvantovej kryptografie bol teoretický kvantový algoritmus, ktorý umožňuje prelomiť existujúce šifrovacie systémy.Jeden z nich je základom bezpečnosti mnohýchInternet banking, ako aj základ pre šifrovanie webových stránok. Predpokladajme, že existuje sovietsky špión, ktorého cieľom je odovzdávať informácie generálnemu štábu, a existuje tretia strana, ktorá to všetko môže odpočúvať. Predtým sme sa zaoberali šifrovaním pomocou jedného kľúča, ale v tomto konkrétnom prípade sa navrhuje iná metóda. Existuje protokol RSA, ktorého účel je nasledovný: vygenerujú sa dva kľúče - verejný kľúč a súkromný; Súkromný kľúč sa používa na dešifrovanie prijatej správy a verejný kľúč na jej šifrovanie. Tento protokol vám umožňuje implementovať tento algoritmus, to znamená vytvárať verejné a súkromné kľúče.
Na konci 20. storočia Peter Shor navrhol nový algoritmus, aby prelomil základ algoritmu RSA.Tento algoritmus je úplne kvantový apreto vznik skutočne fungujúceho kvantového počítača umožní hacknúť moderné bezpečnostné systémy. V dôsledku toho sa objavila nová veda, ktorá sa zaoberá novými algoritmami, aby boli metódy šifrovania odolné voči praskaniu kvantovým počítačom.
Pozri tiež:
Bola vytvorená prvá presná mapa sveta. Čo je zlé na všetkých ostatných?
Zmena podnebia posunula os Zeme
NASA povedala, ako budú dodávať vzorky Marsu na Zem