Varför kvantfysik borde frukta
"Om kvantfysiken inte skrämmer dig, då förstår du det inte,"
I slutet av 1900-talet insåg många forskare att kvantfysik kunde användas för att skapa en ny typ av dator.Vi kan säga att forskare som hanterar frågorna om kvantberäkning förbereder en teoretisk grund för teleportering, tidsresor eller till parallella världar.
Inom ramen för klassisk databehandling finns det en sak som 1 bit - det här är en representationsenhet eller lagring av information.I likhet med den klassiska biten kan man definierakvantbit, som är en enhet av kvantinformation. En klassisk bit kan lagra ett av två tillstånd när som helst: antingen noll eller ett. Ur fysisk synvinkel är detta närvaron eller frånvaron av en elektrisk signal. Liksom i det klassiska fallet finns det i kvantfallet tillstånd - 0 och 1. Men till skillnad från klassiska beräkningar kan 1 qubit lagra en överlagring av dessa tillstånd. Det vill säga att tillståndet för en kvantbit i allmänhet bestäms av två egenskaper, eller två parametrar. Den första parametern är ansvarig för sannolikheten för nolltillståndet, och den andra är ansvarig för sannolikheten för det första tillståndet. En kvantbit är på vissa sätt ett probabilistiskt tillstånd, men klassisk information kan extraheras från det. För att göra detta används en speciell operation som kallas mätning.
thecode.media
Grundtillstånd i kvantfallet är inte de enda möjliga tillstånden.Det finns också ett tillstånd, till exempel plus eller minus, och det bör noteras att grundtillståndet beror på den fysiska implementeringen av kvantbiten.
Kvantbearbetning och hur det skiljer sig från klassisk beräkning
Alla klassiska beräkningar baseras på vissa klassiska omvandlingar.Det vill säga, det här är några åtgärder som vi kangöra med ett klassiskt utseende. Till exempel inverterar NOT-operatorn värdet på en klassisk bit. Det vill säga om vi får 0 vid ingången så får vi 1 vid utgången och vice versa. För att arbeta med en kvantbit används kvantomvandlingar. Det finns en skillnad som skiljer kvantomvandlingar från klassiska. Kvantomvandlingar är reversibla. Verkan av någon av dem kan vändas med någon annan kvantomvandling. Och, till skillnad från klassiska beräkningar, kan man för kvantberäkningar definiera en annan operation som kallas "mätning". Med denna transformation kan vi extrahera klassisk information från en kvantbit.
miro.medium.com
Driften av en kvantdator kan bestämmas med hjälp av en kvantkrets.Om en klassisk krets består av klassiska transformationer, så består en kvantkrets av kvantettor.
Quantum computing, till skillnad från klassisk computing, är en ung vetenskap, men det finns redan intressanta exempel på deras tillämpning.Till exempel, ett område som kryptografi -informationsskydd är optimeringsproblem väl lösta med hjälp av kvantdatorer. Genom att skapa en riktig kvantdator jämförbar med klassiska datorer kommer vi att kunna lösa vissa problem snabbare än klassiska datorer.
Idén med ultratät kodning är att sända två klassiska bitar med en kvantbit.Varför kallas denna kodningsuper tät? Låt oss komma ihåg ett svart hål - det här är en slags fysisk kropp, vars hela massa kollapsar till en singularitetspunkt. Men i kvantfallet är allt mycket mer prosaiskt, vi pratar om datakomprimering, och inte ens så imponerande - helt enkelt att överföra två klassiska bitar med en qubit.
Två qubits sägs vara intrasslade om vi, genom att mäta eller extrahera klassisk information från den första qubiten, exakt kan bestämma tillståndet för den andra qubiten.Enkelt exempel:Låt oss säga att det finns bror och syster Bob och Alice. Varje dag för frukost eller lunch förbereder deras mamma en behållare med mat åt dem. Hon lägger antingen på en sallad eller en ostmacka. Dessutom känner varken Alice eller Bob till innehållet i behållaren när de går till skolan. Och först när de kommer till skolan öppnar de sina behållare: Alice ser salladen och vet redan exakt vad som finns i Bobs behållare. Ett annat mer intressant exempel är ett par strumpor. Låt oss säga att du vaknar på morgonen och vill ta på dig strumpor, genom att sätta en av strumpor på din högra fot vet du säkert att den andra strumpan tillhör din vänstra fot eller kommer att vara den vänstra strumpan. Ultratät kodning är baserad på fenomenet intrassling.
Teleportering är den fysiska rörelsen av föremål från en plats till en annan på kort tid.Detta fenomen uppfanns i kvantberäkningar,och inom kvantfysiken demonstreras det experimentellt. Men i det här fallet flyttar vi inte hela den fysiska kroppen, utan bara tillståndet för en qubit. Det kan noteras att saken redan är liten; nu måste du lära dig att dela upp fysiska kroppar i elementära partiklar och sedan, efter överföring med hjälp av en kvantkommunikationskanal, sätta samman fysiska kroppar från dem. Detta fenomen är också baserat på fenomenet intrassling.
"Låt oss säga att det finns en sovjetisk spion…"
Nästa exempel är BB84-protokollet, som tillhör kryptografifältet.Anta att vi har en viss sovjetisk spion,vars syfte är att utbyta information med den allmänna personalen. Det finns flera alternativ för att lösa detta problem. Ett alternativ är att använda en nyckel som spionen kan använda för att kryptera meddelandet och den mottagande parten att dekryptera det. Det finns två problem: hur man skaffar en given nyckel så att ingen kan förfalska den, och för det andra hur man byter ut nyckeln på ett sådant sätt att ingen kan fånga upp den. BB84-protokollet löser detta problem.
I början har spionen någon form av slumpmässig bitgenerator och använder den för att generera slumpmässiga bitar.Den används som en kvantbitenstaka fotoner. Med deras hjälp krypterar eller lagrar han klassisk information i en enda foton, låt oss bara kalla det en qubit. I det här fallet, när du skriver en klassisk bit till en qubit, kan två typer av baser användas. Olika polarisationer av en enda foton används som baser. För att förenkla handlingen, låt oss kalla dessa baser för vita och gula baser. Vad detta betyder: Med vitt och gult kan vi kryptera både värdet 0 och värdet 1. Om vi använder en gul bas, är polariseringen av fotonen diagonal, och den kommer att lagra värdet 0; om vi tar emot 1 vid ingången används antidiagonal polarisation, och därför sänder vi 1 med dess hjälp. Om en vit bas används, så sänds tillståndet 0 med hjälp av horisontell polarisation och 1 med hjälp av vertikal polarisering.Spionen väljer dessa baser godtyckligt: varken han eller någon annan vet vilken han kommer att välja. De resulterande fotonerna med en viss polarisation överförs till det allmänna högkvarteret, som också har dessa baser: med deras hjälp mäts den resulterande kvantbiten där. Generalstaben vet inte vilka baser den sovjetiske spionen använde, därför väljer de slumpmässigt dessa baser. Men ur sannolikhetsteorins synvinkel kommer de i hälften av fallen att gissa dessa grunder. Och därför, i ungefär hälften av fallen, kommer de använda baserna - och de mottagna och sända klassiska bitarna - att sammanfalla. Därefter sänder generalstaben baserna som den använde, och spionen rapporterar i sin tur i vilka positioner matchningen inträffade. Strängen som erhölls från de klämda tillstånden blir nyckeln. Det vill säga, om en spion skickar 1 000 bitar av klassisk information, så kommer nyckeln i slutändan vara cirka 500 tecken, eller 500 bitar.
Det finns en tredje person, den fiktiva Muller, vars mål är att avlyssna nyckelbytesprocessen.Hur gör han det?Antag att han också känner till alla de baser som används av spionen och generalstaben. Det hamnar i mitten och börjar acceptera enkla qubits med sina baser. Han vet inte heller vilka baser den sovjetiska spionen använde och väljer godtyckligt mellan de gula och vita baserna. I 50% av fallen gissar han. Följaktligen kommer 50% av qubitsna att lämna i samma tillstånd som de mottogs. Cirka 50% lämnar dock i ett förändrat tillstånd. Som ett resultat kommer generaldirektören att ta emot exakt de stater som skickades endast i en fjärdedel av fallen när de får dessa qubits, i princip kommer detta att vara en signal om att någon avlyssnar dem. Om ingen hörde dem skulle 50% av deras nycklar matcha. Men om någon lyssnar på dem, kommer bara en fjärdedel av tiden att tangenterna matchar. Därför är det första problemet som vi uttryckte med dig att hur man genererar en nyckel så att ingen tjuvlyssningar kommer att lösas på detta sätt. Så snart de får reda på att någon avlyssnar dem kan de byta kommunikationskanal. Det vill säga att välja en annan kvantkanal. Det andra problemet: hur exakt byter du en nyckel så att ingen kan fånga, i det här fallet löses det av sig själv, eftersom det inte finns något nyckelutbytesproblem i det här fallet.
När kommer riktiga kvantdatorer att dyka upp?
Just nu finns kvantdatorer redan och används till och med praktiskt taget industriellt.Det är faktiskt datorer som på något sättminst användning av kvanteffekter. Dessa datorer löser ett begränsat antal problem och används främst för att lösa vissa optimeringsproblem. Till exempel är d-wave-företaget en av utvecklarna av nästan kvantdatorer. Bland kunderna till detta företag finns sådana jättar som Google; flera biltillverkare använder också nästan kvantdatorer.
Hittills är flera utvecklingar redan kända som genomförs i skapandet av riktiga kvantdatorer.Bokstavligen för ett år sedan utvecklades denexperimentell modell av en kvantdator som arbetar med två qubits. Dessa kvantdatorer är inte heller lämpliga för att lösa verkliga problem, men det är viktigt att notera att deras arbete väl demonstrerar hur de principer som kvantdatorerna är teoretiskt baserade på fungerar.
År 2019 presenterades en kvantdator bestående av och arbetade med 20 qubits.Denna dator används enbart förvisar att principerna för kvantberäkning fungerar. Detta kan jämföras med två megabyte, till exempel, RAM i den moderna världen, det vill säga i princip är det ingenting.
Nu finns det hypoteser om att kvantintrassling och fenomenet maskhål är ett och samma fenomen.Dessutom är maskhål själva baseradepå ett sådant fenomen som kvantförtrassling. Detta antyder att det som ett alternativ i framtiden kommer att vara möjligt att skapa maskhål redan artificiellt. Det vill säga att intrassla några kvantbitar med varandra.
Hur man mäter kvantbiten
Det finns tre synpunkter på att mäta en kvantbit.Första titt är Köpenhamns teori,en klassisk bild av mätprocessen. Det står att med hjälp av mätningen påverkar vi, uppnått ett visst klassiskt resultat, den uppmätta qubiten. Om vi betraktar det i samband med en elektron, representeras mätningen av en elektron i form av en viss våg - det vill säga det är en viss vågfunktion. Men mätningen leder till att den givna vågfunktionen kollapsar, och vi har redan att göra med en partikel. Det är viktigt att nämna Heisenbergs osäkerhet, som säger: att vi inte kan veta om vågfunktionen och placeringen av elektronen samtidigt. Det vill säga om vi mäter en elektron förlorar vi vågfunktionens egenskaper. Omvänt, om vi känner till vågfunktionens egenskaper, kan vi inte bestämma elektronens placering.
Den andra uppfattningen är teorin om David Bohm, som säger att vi helt enkelt inte har all information om systemet, men i verkligheten både före mätning och efter mätning försvinner vågfunktionen inte någonstans.Det är helt enkelt några dolda parametrar som vivi vet inte. Och genom att känna till dessa ytterligare egenskaper kan vi fastställa både den exakta platsen för elektronen och egenskaperna hos vågfunktionerna. Detta kan jämföras med att kasta ett vanligt mynt. Om vi betraktar det från en klassisk synvinkel anses en myntkastning vara en slumpmässig process, det vill säga resultatet kan inte förutsägas. Men ur fysikens synvinkel kan vi exakt bestämma, med kunskap om några ytterligare egenskaper, vilken sida myntet kommer att falla på. Till exempel den initiala stötkraften eller luftmotståndets kraft, och så vidare.
Och ett tredje sätt att se på mätprocessen är teorin om flera världar.Denna teori uttrycktes av Hugh Everett.Det står att när man mäter sker en slags splittring av den fysiska världen. Och hypostasen som vi observerar, elektronens placering, är endast verklig i vår värld. Parallellt skapas andra världar där en annan hypostas av elektronen är verklig. En av skaparna av kvantbearbetning utvecklade Everetts teori och sa en gång att universumet självt är en slags kvantdator och utför beräkningar.
Anledningen till framväxten av post-quantum-kryptografi var en teoretisk kvantalgoritm som låter dig knäcka befintliga krypteringssystem.En av dem är grunden för mångas trygghetInternetbank, samt grunden för webbkryptering. Anta att det finns en sovjetisk spion vars mål är att överföra information till generalstaben, och det finns en tredje part som kan avlyssna allt detta. Tidigare har vi tittat på kryptering med en enda nyckel, men i det här specifika fallet föreslås en annan metod. Det finns RSA-protokollet, vars syfte är följande: två nycklar genereras - en offentlig nyckel och en privat; Den privata nyckeln används för att dekryptera det mottagna meddelandet, och den offentliga nyckeln används för att kryptera det. Detta protokoll låter dig implementera denna algoritm, det vill säga skapa offentliga och privata nycklar.
I slutet av 1900-talet föreslogs en ny algoritm av Peter Shor för att bryta kärnan i RSA-algoritmen.Denna algoritm är helt kvant, och,därför kommer framväxten av en riktigt fungerande kvantdator att göra det möjligt att hacka moderna säkerhetssystem. Som ett resultat har en ny vetenskap dykt upp som tittar på nya algoritmer för att göra krypteringsmetoder resistenta mot sprickbildning från en kvantdator.
Se även:
Den första exakta världskartan skapades. Vad är fel med alla andra?
Klimatförändringarna har flyttat jordens axel
NASA berättade hur de kommer att leverera prover av Mars till jorden