ทำไมฟิสิกส์ควอนตัมจึงควรกลัว
"ถ้าฟิสิกส์ควอนตัมไม่ทําให้คุณกลัว คุณก็ไม่เข้าใจ"
ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 20 นักวิจัยหลายคนตระหนักว่าฟิสิกส์ควอนตัมสามารถใช้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ชนิดใหม่ได้เราสามารถพูดได้ว่านักวิจัยที่จัดการกับปัญหาของคอมพิวเตอร์ควอนตัมกำลังเตรียมพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการเทเลพอร์ตการเดินทางข้ามเวลาหรือไปยังโลกคู่ขนาน
ในบริบทของการคำนวณแบบคลาสสิกมีสิ่งหนึ่งเช่น 1 บิต - นี่คือหน่วยของการแสดงหรือการจัดเก็บข้อมูลคล้ายกับบิตคลาสสิกบิตควอนตัมซึ่งเป็นหน่วยของข้อมูลควอนตัมสามารถกําหนดได้หนึ่งบิตคลาสสิกสามารถจัดเก็บทุกช่วงเวลาจากมุมมองทางกายภาพมันคือการมีหรือไม่มีสัญญาณไฟฟ้าเช่นเดียวกับในกรณีคลาสสิกมีสถานะของ 0 และ 1 ในกรณีควอนตัมแต่แตกต่างจากคอมพิวเตอร์คลาสสิก 1 คิวบิตสามารถนั่นคือสถานะของบิตควอนตัมโดยทั่วไปจะถูกกําหนดโดยสองลักษณะหรือสองพารามิเตอร์พารามิเตอร์แรกมีหน้าที่รับผิดชอบต่อความน่าจะเป็นของสถานะศูนย์และพารามิเตอร์ที่สองมีหน้าที่รับผิดชอบต่อความน่าจะเป็นของสถานะแรกการต่อสู้ควอนตัมเป็นสถานะที่น่าจะเป็นไปได้ แต่เป็นไปได้ที่จะดึงข้อมูลคลาสสิกจากมันในการทําเช่นนี้จะใช้การดําเนินการพิเศษที่เรียกว่าการวัด
thecode.media
สถานะพื้นฐานในกรณีควอนตัมไม่ใช่สถานะเดียวที่เป็นไปได้นอกจากนี้ยังมีสถานะเช่นบวกหรือลบและควรสังเกตว่าสถานะพื้นฐานขึ้นอยู่กับจากการใช้งานทางกายภาพของบิตควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมและความแตกต่างจากคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกอย่างไร
การคำนวณแบบคลาสสิกใด ๆ ขึ้นอยู่กับการแปลงแบบคลาสสิกนั่นคือนี่คือการกระทําบางอย่างที่เราสามารถทําได้ด้วยรูปลักษณ์คลาสสิกตัวอย่างเช่นตัวดําเนินการไม่กลับค่าของบิตคลาสสิกนั่นคือถ้าเราได้รับ 0 ที่อินพุตเราจะได้ 1 ที่เอาต์พุตและในทางกลับกันการแปลงควอนตัมใช้เพื่อทํางานกับบิตควอนตัมการแปลงควอนตัมสามารถย้อนกลับได้การกระทําของหนึ่งในนั้นสามารถย้อนกลับได้โดยการเปลี่ยนแปลงควอนตัมอื่น ๆและแตกต่างจากการคํานวณแบบคลาสสิกสําหรับการคํานวณควอนตัมคุณสามารถกําหนดการดําเนินการอื่นที่เรียกว่า "การวัด"ด้วยการเปลี่ยนแปลงนี้เราสามารถดึงข้อมูลคลาสสิกจากบิตควอนตัม
miro.medium.com
การทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถกำหนดได้โดยใช้วงจรควอนตัมตามลำดับหากวงจรคลาสสิกประกอบด้วยการแปลงแบบคลาสสิกวงจรควอนตัมจะประกอบด้วยการแปลงควอนตัม
การคำนวณแบบควอนตัมซึ่งแตกต่างจากการคำนวณแบบคลาสสิกเป็นวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ แต่มีตัวอย่างที่น่าสนใจสำหรับการประยุกต์ใช้ตัวอย่างเช่นฟิลด์เช่นการเข้ารหัส - การป้องกันข้อมูล - ปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพได้รับการแก้ไขอย่างดีด้วยความช่วยเหลือของคอมพิวเตอร์ควอนตัมด้วยการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริงที่เทียบได้กับคอมพิวเตอร์คลาสสิกเราจะสามารถแก้ปัญหาบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก
แนวคิดเบื้องหลังการเข้ารหัสที่มีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษคือการใช้บิตควอนตัมเดียวเพื่อส่งบิตคลาสสิกสองบิตลองจําหลุมดําร่างกายที่มีมวลทั้งหมดยุบตัวเป็นจุดเดียวของความเป็นเอกเทศอย่างไรก็ตามในกรณีควอนตัมทุกอย่างมีความโปรโซอิกมากขึ้นเรากําลังพูดถึงการบีบอัดข้อมูลและไม่น่าประทับใจนักเพียงแค่การถ่ายโอนบิตคลาสสิกสองบิตโดยใช้คิวบิตเดียว
กล่าวกันว่าคิวบิตสองตัวพัวพันกันหากโดยการวัดหรือดึงข้อมูลคลาสสิกจากคิวบิตแรกเราสามารถกําหนดสถานะของคิวบิตที่สองได้อย่างแม่นยําตัวอย่างง่ายๆ: สมมติว่ามีพี่น้องบ๊อบและอลิซทุกวันสําหรับอาหารเช้าหรืออาหารกลางวันแม่ของพวกเขาเตรียมภาชนะสําหรับพวกเขาเธอวางสลัดหรือแซนวิชชีสในเวลาเดียวกันทั้งอลิซและบ๊อบไม่รู้เมื่อพวกเขาออกจากโรงเรียนและเมื่อพวกเขามาโรงเรียนพวกเขาเปิดภาชนะของพวกเขา: อลิซเห็นสลัดและรู้อยู่แล้วว่ามีอะไรอยู่ในภาชนะของบ๊อบสมมติว่าคุณตื่นขึ้นมาในตอนเช้าและต้องการใส่ถุงเท้าใส่ถุงเท้าข้างหนึ่งที่เท้าขวาคุณจะรู้แน่ชัดว่าถุงเท้าอีกอันเป็นของคุณการเข้ารหัสที่หนาแน่นเป็นพิเศษขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการพัวพัน
เทเลพอร์ตคือการเคลื่อนไหวทางกายภาพของวัตถุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในช่วงเวลาสั้น ๆปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกคิดค้นขึ้นในการคํานวณควอนตัมและสาธิตการทดลองในฟิสิกส์ควอนตัมอย่างไรก็ตามในกรณีนี้เราไม่ได้เคลื่อนย้ายร่างกายทั้งหมด แต่เป็นเพียงสถานะของคิวบิตเดียวสามารถสังเกตได้ว่ามีเพียงสิ่งเดียวที่ต้องทําตอนนี้จําเป็นต้องเรียนรู้วิธีแยกร่างกายออกเป็นอนุภาคมูลฐานจากนั้นหลังจากส่งด้วยความช่วยเหลือของช่องทางการสื่อสารควอนตัมเพื่อรวบรวมร่างกายทางกายภาพกลับจากพวกเขาปรากฏการณ์นี้ยังขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการพัวพัน
"สมมติว่ามีสายลับโซเวียต..."
ตัวอย่างถัดไปคือโปรโตคอล BB84 ซึ่งเป็นของสาขาการเข้ารหัสสมมติว่าเรามีสายลับโซเวียตที่มีวัตถุประสงค์เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลกับเจ้าหน้าที่ทั่วไปทางเลือกหนึ่งคือการใช้คีย์ที่สายลับสามารถใช้เพื่อเข้ารหัสข้อความและฝ่ายรับเพื่อถอดรหัสมีปัญหาสองประการ: วิธีรับคีย์ที่กําหนดเพื่อไม่ให้ใครสามารถปลอมแปลงได้และประการที่สองวิธีแลกเปลี่ยนคีย์ในลักษณะที่ไม่มีใครสามารถสกัดกั้นได้โปรโตคอล BB84 ช่วยแก้ปัญหานี้ได้
ในตอนแรกสายลับมีเครื่องกำเนิดบิตแบบสุ่มและใช้เพื่อสร้างบิตแบบสุ่มมันใช้เป็นควอนตัมบิตโฟตอนเดี่ยว ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา เขาเข้ารหัสหรือจัดเก็บข้อมูลคลาสสิกไว้ในโฟตอนเดียว หรือจะเรียกมันว่าควิบิตก็ได้ ในกรณีนี้ เมื่อเขียนคลาสสิกบิตลงใน qubit สามารถใช้ฐานได้สองประเภท โพลาไรเซชันที่แตกต่างกันของโฟตอนเดี่ยวจะถูกนำมาใช้เป็นฐาน เพื่อให้การดำเนินการง่ายขึ้น ลองเรียกฐานเหล่านี้ว่าฐานสีขาวและสีเหลือง ความหมาย: ด้วยสีขาวและสีเหลือง เราสามารถเข้ารหัสทั้งค่า 0 และค่า 1 ได้ หากเราใช้พื้นฐานสีเหลือง โพลาไรเซชันของโฟตอนจะเป็นแนวทแยง และมันจะเก็บค่าเป็น 0 หากเราได้รับ 1 ที่อินพุต โพลาไรเซชันแนวต้านจะถูกใช้ ดังนั้นเราจึงส่ง 1 ด้วยความช่วยเหลือ หากใช้พื้นฐานสีขาว สถานะ 0 จะถูกส่งด้วยความช่วยเหลือของโพลาไรเซชันแนวนอน และ 1 ด้วยความช่วยเหลือ ของโพลาไรเซชันในแนวตั้ง สายลับเลือกฐานเหล่านี้โดยพลการ: ทั้งเขาและใครก็ตามไม่รู้ว่าเขาจะเลือกฐานใด โฟตอนที่ได้ซึ่งมีโพลาไรเซชันจะถูกส่งไปยังสำนักงานใหญ่ซึ่งมีฐานเหล่านี้ด้วย: ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา บิตควอนตัมผลลัพธ์จะถูกวัดที่นั่น เจ้าหน้าที่ทั่วไปไม่ทราบว่าสายลับโซเวียตใช้ฐานเฉพาะใด ดังนั้นพวกเขาจึงสุ่มเลือกฐานเหล่านี้ แต่จากมุมมองของทฤษฎีความน่าจะเป็น พวกเขาจะคาดเดาฐานเหล่านี้ได้ในครึ่งกรณี ดังนั้นประมาณครึ่งหนึ่งของกรณี ฐานที่ใช้และบิตคลาสสิกที่รับและส่งจะตรงกัน จากนั้น เจ้าหน้าที่ทั่วไปจะส่งสัญญาณฐานที่ใช้ และสายลับจะรายงานตำแหน่งที่เกิดเหตุบังเอิญขึ้น สตริงที่ได้รับจากสถานะที่ถูกบีบจะกลายเป็นคีย์ นั่นคือหากสายลับส่งข้อมูลคลาสสิก 1,000 บิต ท้ายที่สุดคีย์จะมีอักขระประมาณ 500 ตัวหรือ 500 บิต
มีบุคคลที่สามคือ Mueller แบบมีเงื่อนไขซึ่งมีเป้าหมายเพื่อดักฟังกระบวนการแลกเปลี่ยนกุญแจเขาทำได้อย่างไร?สมมติว่าเขารู้ฐานทั้งหมดที่สายลับและพนักงานทั่วไปใช้ มันอยู่ตรงกลางและเริ่มยอมรับ qubits เดี่ยวด้วยฐานของมัน เขาเองก็ไม่รู้เหมือนกันว่าสายลับโซเวียตใช้ฐานใดและเลือกฐานทัพสีเหลืองและสีขาวโดยพลการ ใน 50% ของกรณีเขาจะเดา ดังนั้น 50% ของ qubits จะอยู่ในสถานะเดียวกับที่ได้รับ อย่างไรก็ตามประมาณ 50% จะออกจากสถานะที่เปลี่ยนไป เป็นผลให้เมื่อได้รับ qubits เหล่านี้เจ้าหน้าที่ทั่วไปจะได้รับสถานะที่ถูกส่งไปเพียงหนึ่งในสี่ของกรณีโดยหลักการแล้วนี่จะเป็นสัญญาณว่ามีคนแอบฟังอยู่ หากไม่มีใครได้ยินคีย์ 50% ของพวกเขาจะตรงกัน อย่างไรก็ตามหากมีคนแอบฟังพวกเขาจะมีเวลาเพียงหนึ่งในสี่ของเวลาที่คีย์ตรงกัน ดังนั้นปัญหาแรกที่เราพูดกับคุณคือจะสร้างคีย์ได้อย่างไรเพื่อไม่ให้มีใครแอบฟังจะได้รับการแก้ไขด้วยวิธีนี้ ทันทีที่พบว่ามีคนแอบฟังพวกเขาสามารถเปลี่ยนช่องทางการสื่อสารได้ นั่นคือการเลือกช่องทางควอนตัมที่แตกต่างกัน ปัญหาที่สอง: วิธีการแลกเปลี่ยนคีย์เพื่อให้ไม่มีใครสามารถสกัดกั้นได้ในกรณีนี้จะแก้ไขได้ด้วยตัวเองเนื่องจากไม่มีปัญหาในการแลกเปลี่ยนคีย์ในกรณีนี้
คอมพิวเตอร์ควอนตัมของจริงจะปรากฏเมื่อใด
ในขณะนี้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีอยู่แล้วและยังใช้งานได้จริงในเชิงอุตสาหกรรมในความเป็นจริงเหล่านี้เป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้คอมพิวเตอร์เหล่านี้แก้ปัญหาได้จํากัด และส่วนใหญ่จะใช้เพื่อแก้ปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพบางอย่างตัวอย่างเช่น d-wave เป็นหนึ่งในผู้พัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมเกือบในบรรดาลูกค้าของ บริษัท นี้มียักษ์ใหญ่เช่น Google ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายก็ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเกือบ
จนถึงปัจจุบันการพัฒนาหลายอย่างเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ากําลังดําเนินการในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริงเมื่อปีที่แล้วมีการพัฒนาแบบจําลองการทดลองของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเหล่านี้ไม่เหมาะสําหรับการแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริง แต่สิ่งสําคัญคือต้องสังเกตว่างานของพวกเขาแสดงให้เห็นได้ดีหลักการที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพื้นฐานมาจากทฤษฎี
ในปี 2019 มีการนำเสนอคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งประกอบด้วยและทำงานร่วมกับ 20 qubitsคอมพิวเตอร์นี้ใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่าหลักการของการคํานวณควอนตัมทํางานเท่านั้นสิ่งนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับสองเมกะไบต์เช่น RAM ในโลกสมัยใหม่นั่นคือโดยหลักการแล้วมันไม่เกี่ยวกับอะไรเลย
ตอนนี้มีสมมติฐานว่าการพัวพันควอนตัมและปรากฏการณ์รูหนอนเป็นปรากฏการณ์เดียวกันยิ่งไปกว่านั้นรูหนอนเองก็ขึ้นอยู่กับกับปรากฏการณ์เช่นการพัวพันของควอนตัม สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าในอนาคตเป็นตัวเลือกที่จะสามารถสร้างรูหนอนได้ นั่นคือการพันควอนตัมบิตเข้าด้วยกัน
วิธีวัดควอนตัมบิต
มีสามวิธีในการดูการวัดบิตควอนตัมรูปลักษณ์แรกคือทฤษฎีโคเปนเฮเกนมุมมองแบบคลาสสิกของกระบวนการวัดผล มันบอกว่าด้วยความช่วยเหลือของการวัดเราได้รับผลลัพธ์คลาสสิกบางอย่างมีอิทธิพลต่อ qubit ที่วัด ถ้าเราพิจารณาในบริบทของอิเล็กตรอนการวัดอิเล็กตรอนจะแสดงในรูปของคลื่นหนึ่งนั่นคือมันเป็นฟังก์ชันคลื่นหนึ่ง แต่การวัดนำไปสู่ความจริงที่ว่าฟังก์ชันคลื่นที่กำหนดยุบลงและเรากำลังจัดการกับอนุภาคอยู่แล้ว สิ่งสำคัญคือต้องกล่าวถึงความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กซึ่งกล่าวว่าเราไม่สามารถทราบเกี่ยวกับฟังก์ชันคลื่นและตำแหน่งของอิเล็กตรอนได้ในเวลาเดียวกัน นั่นคือถ้าเราวัดอิเล็กตรอนเราจะสูญเสียคุณลักษณะของฟังก์ชันคลื่นไป ตรงกันข้ามเมื่อทราบลักษณะของฟังก์ชันคลื่นเราไม่สามารถระบุตำแหน่งของอิเล็กตรอนได้
มุมมองที่สองคือทฤษฎีของ David Bohm ซึ่งกล่าวว่าเราไม่มีข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับระบบ แต่ในความเป็นจริงทั้งก่อนการวัดและหลังการวัดฟังก์ชันคลื่นจะไม่หายไปไหนเป็นเพียงว่ามีพารามิเตอร์ที่ซ่อนอยู่บางอย่างที่เราไม่รู้ และเมื่อทราบคุณสมบัติเพิ่มเติมเหล่านี้ เราจึงสามารถกําหนดทั้งตําแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนและลักษณะของฟังก์ชันคลื่นได้จากมุมมองแบบคลาสสิกการโยนเหรียญถือเป็นกระบวนการสุ่มนั่นคือผลลัพธ์อย่างไรก็ตามจากมุมมองของฟิสิกส์เราสามารถกําหนดได้อย่างมั่นใจโดยรู้ลักษณะเพิ่มเติมบางอย่างซึ่งจะตกด้านใดตัวอย่างเช่นแรงเริ่มต้นของการกระแทกหรือแรงต้านอากาศเป็นต้น
และวิธีที่สามในการดูกระบวนการวัดคือทฤษฎีของหลายโลกทฤษฎีนี้แสดงโดยฮิวจ์เอเวอเร็ตต์มันบอกว่าเมื่อทำการวัดจะเกิดการแตกออกของโลกทางกายภาพ และภาวะ hypostasis ที่เราสังเกตตำแหน่งของอิเล็กตรอนนั้นมีอยู่จริงในโลกของเราเท่านั้น ในแบบคู่ขนานโลกอื่น ๆ จะถูกสร้างขึ้นซึ่งมีภาวะ hypostasis ของอิเล็กตรอนอีกดวงหนึ่งเป็นของจริง การพัฒนาทฤษฎีของ Everett ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเคยกล่าวไว้ว่าดังนั้นจักรวาลจึงเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมชนิดหนึ่งและทำการคำนวณ
สาเหตุของการเกิดขึ้นของการเข้ารหัสหลังควอนตัมคืออัลกอริธึมควอนตัมเชิงทฤษฎีที่ช่วยให้คุณสามารถถอดรหัสระบบการเข้ารหัสที่มีอยู่ได้หนึ่งในนั้นคือกระดูกสันหลังของความปลอดภัยของบริการธนาคารทางอินเทอร์เน็ตจํานวนมากรวมถึงกระดูกสันหลังของการเข้ารหัสเว็บไซต์สมมติว่ามีสายลับโซเวียตที่มีจุดประสงค์เพื่อส่งข้อมูลไปยังเจ้าหน้าที่ทั่วไปและมีบุคคลที่สามที่สามารถจนถึงจุดนี้เราได้ดูการเข้ารหัสด้วยคีย์เดียว แต่ในกรณีนี้มีการเสนอวิธีการอื่นมีโปรโตคอล RSA ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างคีย์สองคีย์คือคีย์สาธารณะและคีย์ส่วนตัว คีย์ส่วนตัวใช้เพื่อถอดรหัสข้อความที่ได้รับ และคีย์สาธารณะใช้เพื่อเข้ารหัสข้อความโปรโตคอลนี้ช่วยให้คุณสามารถใช้อัลกอริทึมนี้นั่นคือเพื่อสร้างคีย์สาธารณะและส่วนตัว
ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 20 มีการเสนออัลกอริทึมใหม่โดย Peter Shor เพื่อทำลายพื้นฐานของอัลกอริทึม RSAอัลกอริทึมนี้เป็นควอนตัมอย่างสมบูรณ์ดังนั้นการเกิดขึ้นของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงจะช่วยให้เป็นผลให้มีวิทยาศาสตร์ใหม่เกิดขึ้นเพื่อตรวจสอบอัลกอริทึมใหม่เพื่อสร้างวิธีการเข้ารหัสที่ทนทานต่อการถอดรหัสโดยคอมพิวเตอร์ควอนตัม
ดูเพิ่มเติมที่:
แผนที่แรกที่แม่นยำของโลกถูกสร้างขึ้น คนอื่นผิดอะไร
การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทำให้แกนของโลกเคลื่อนไป
NASA บอกว่าพวกเขาจะส่งตัวอย่างของดาวอังคารมายังโลกได้อย่างไร