Чому квантова фізика повинна налякати
«Якщо квантова фізика вас не налякала, значить, ви її не зрозуміли»,
Наприкінці XX століття багато дослідників зрозуміли, що квантову фізику можна використовувати під час створення нового виду комп'ютерів.Можна сказати, що дослідники, які займаються питаннями квантових обчислень, готують теоретичну основу для телепортацій, подорожей у часі або в паралельні світи.
В контексті класичних обчислень є таке поняття, як 1 біт - це одиниця подання або зберігання інформації.Аналогічно класичному біту можна визначитиквантовий біт, що є одиницею квантової інформації. Один класичний біт може зберігати кожен момент часу один із двох станів: або нуль, або одиницю. З фізичної точки зору це наявність або відсутність електричного сигналу. Як і в класичному випадку, у квантовому є стани - 0 і 1. Але, на відміну від класичних обчислень, 1 кубит може зберігати в собі суперпозицію цих станів. Тобто стан квантового біта у випадку визначається двома характеристиками, чи двома параметрами. Перший параметр відповідає за ймовірність нульового стану, а другий за ймовірність першого стані. Квантовий біт до певної міри — певний імовірнісний стан, проте з нього можна отримати класичну інформацію. Для цього використовується спеціальна операція під назвою вимір.
thecode.media
Базисні стану в квантовому випадку не є єдиними можливими станами.Також є стан, наприклад, плюс-мінус, і слід зазначити, що базисний стан залежить від фізичної реалізації квантового біта.
Квантові обчислення та їх відмінності від класичних
Будь-які класичні обчислення ґрунтуються на деяких класичних перетвореннях.Тобто це якісь дії, які ми можеморобити з класичним виглядом. Наприклад, оператор не інвертує значення класичного біта. Тобто, якщо на вході ми отримуємо 0, то на виході отримуємо 1, і навпаки. p align="justify"> Для роботи з квантовим бітом використовуються квантові перетворення. Є одна відмінність, яка відокремлює квантові перетворення від класичних. Квантові перетворення є оборотними. Дія будь-якого з них можна звернути за допомогою деякого іншого квантового перетворення. І, на відміну класичних обчислень, для квантових можна визначити ще одну операцію під назвою «вимір». За допомогою цього перетворення ми можемо отримувати класичну інформацію із квантового біту.
miro.medium.com
Роботу квантового комп'ютера можна визначити за допомогою, відповідно, квантової схеми.Якщо класична схема складається із класичних перетворень, то квантова схема — із квантових.
Квантові обчислення, на відміну від класичних, є молодою наукою, але вже є цікаві приклади їх застосування.Наприклад, така область, як криптографія.Захист інформації, завдання оптимізації добре вирішуються за допомогою квантових комп'ютерів. При створенні реального, порівнянного з класичними комп'ютерами квантового обчислювача, ми зможемо вирішити деякі завдання швидше, ніж класичні комп'ютери.
Ідея надщільного кодування полягає в тому, щоб за допомогою одного квантового біта передавати два класичні біти.Чому ж таке кодування називаєтьсянадщільним? Згадаймо чорну дірку - це якесь фізичне тіло, вся маса якого хлопається в одну точку сингулярності. Однак у квантовому випадку все набагато прозаїчніше, йдеться про стиснення даних, причому навіть не таке значне — просто передача за допомогою одного кубиту двох класичних бітів.
Два кубіти називаються заплутаними, якщо, вимірюючи чи витягуючи класичну інформацію з першого кубіту, ми можемо з точністю визначити стан другого кубіту.Простий приклад:припустимо, є брат і сестра Боб та Аліса. Щодня на сніданок або на обід мати їм готує контейнер з їжею. Вона або кладе салат, або бутерброд із сиром. При цьому ні Аліса, ні Боб, йдучи до школи, не знають вмісту контейнера. І тільки приходячи до школи, вони відкривають свої контейнери: Аліса бачить салат, і вже точно знає, що у контейнері у Боба. Інший цікавіший приклад — це пара шкарпеток. Припустимо, ви прокинулися вранці і хочете надіти шкарпетки, надягаючи одне зі шкарпеток на праву ногу, ви точно знатимете, що другий шкарпетка належить лівій нозі або буде лівим носком. Надщільне кодування саме засноване на явищі заплутаності.
Телепортація - фізичне переміщення об'єктів з одного місця в інше за короткий проміжок часу.Таке явище вигадане в квантових обчисленнях,а у квантовій фізиці експериментально продемонстровано. Проте в даному випадку ми переміщаємо не все фізичне тіло, а лише стан одного кубіту. Можна відзначити, що справа вже залишилася за малим, тепер потрібно навчитися розщеплювати фізичні тіла на елементарні частинки, а далі після передачі квантового каналу зв'язку назад збирати з них фізичні тіла. Дане явище також ґрунтується на явищі заплутаності.
«Припустимо, є радянський шпигун».
Наступний приклад - це протокол BB84, який відноситься до області криптографії.Припустимо, у нас є якийсь радянський шпигун,мета якого – обмінюватися інформацією з генеральним штабом. Є кілька варіантів вирішення цієї задачі. Один із варіантів — використання ключа, за допомогою якого шпигун міг би шифрувати повідомлення, а сторона, що приймає, — розшифровувати. Є дві проблеми: як отримати цей ключ, щоб ніхто не зміг його підробити, і по-друге, як обмінятися ключем таким чином, щоб ніхто не зміг його перехопити. Протокол BB84 вирішує цю проблему.
На початку шпигун має якийсь генератор випадкових бітів і з його допомогою генерує випадкові біти.Як квантовий біт він використовуєодиночні фотони. З їхньою допомогою він шифрує або зберігає класичну інформацію в одиночний фотон, назвемо його просто кубитом. У разі при запису класичного біта в кубит може бути використано два види базисів. Як базиси використовуються різні поляризації одиночного фотона. Для спрощення дії назвемо ці базиси білим та жовтим базисом. Що це означає: за допомогою білого та жовтого ми можемо шифрувати як значення 0, так і значення 1. Якщо ми використовуємо жовтий базис, то поляризація фотона – діагональна, і вона зберігатиме значення 0; якщо на вхід ми отримуємо 1, то використовується антидіагональна поляризація, і, отже, за допомогою її передаємо 1. Якщо використовується білий базис, то за допомогою горизонтальної поляризації передається стан 0, а за допомогою вертикальної - 1. Шпигун вибирає довільно ці базиси: ні він, ні хто інший не знає, який саме він вибере. Отримані фотони з певною поляризацією передаються до генерального штабу, який також володіє цими базисами: з їх допомогою там вимірюють отриманий квантовий біт. У генштабі не знають, які саме базиси використовував радянський шпигун, отже там довільно обирають ці базиси. Але, з погляду теорії ймовірностей, у половині випадків вони вгадають ці базиси. І, отже, десь у половині випадків з усіх у них співпадатимуть використані базиси — і отримані та передані класичні біти. Далі генеральний штаб передає ті базиси, які він використав, а шпигун, своєю чергою, повідомляє, в яких саме позиціях стався збіг. Рядок, який був отриманий з вичавлених станів, і стає ключем. Тобто якщо шпигун відправляє 1000 біт класичної інформації, то в результаті ключ складатиме близько 500 символів, або 500 біт.
Є третя людина, умовна Мюллер, мета якої – підслухати процес обміну ключем.Як це він робить?Припустимо, він теж знає все ті базиси, які використовуються шпигуном і Генштабом. Він стає посередині та починає приймати поодинокі кубіти за допомогою своїх базисів. Він теж не знає, які саме базиси використовував радянський шпигун, довільно обирає між жовтим і білим базисом. У 50% випадків він вгадає. Отже, 50% кубітів підуть в тому ж стані, в якому і були отримані. Однак близько 50% підуть вже в зміненому стані. Як результат, генеральний штаб при отриманні цих кубітів тільки в чверті випадків буде отримувати саме ті стану, які були відправлені, в принципі, це і буде сигналом того, що їх хтось підслуховує. Якби їх ніхто не підслуховував, то 50% їх ключів б збігалися. Однак якщо хтось буде їх підслуховувати, тільки в чверті випадків ключі будуть збігатися. Отже, перша проблема, яку ми з вами озвучували, - про те, що як саме згенерувати ключ, щоб ніхто не підслуховував, таким чином і вирішиться. Як тільки вони дізнаються, що їх хтось підслуховує, то можуть поміняти канал зв'язку. Тобто вибрати вже інший квантовий канал. Друга проблема: як саме обмінятися ключем, щоб ніхто не зміг перехопити, в даному випадку вирішується сама собою, так як ніякої проблеми обміну ключем в даному випадку не існує.
Коли з'являться реальні квантові комп'ютери
На даний момент квантові комп'ютери вже є і навіть промислово практично використовуються.Насправді це комп'ютери, які в якійсьмері використовують квантові ефекти. Дані обчислювачі вирішують обмежене коло завдань і переважно використовуються для вирішення деяких оптимізаційних завдань. Наприклад, компанія d-wave — один із розробників майже квантових комп'ютерів. Серед клієнтів цієї компанії можна назвати таких гігантів, як Google, кілька автоконцернів також використовують майже квантові комп'ютери.
На сьогоднішній день вже відомо декілька розробок, що ведуться у створенні реальних квантових комп'ютерів.Буквально рік тому було розробленоекспериментальна модель квантового комп'ютера, що працює із двома кубитами. Для вирішення реальних завдань дані квантові комп'ютери теж не підходять, проте важливо відзначити, що їхня робота добре демонструє роботу тих принципів, на яких теоретично ґрунтуються квантові обчислювачі.
У 2019 був представлений квантовий комп'ютер, що складається і працює з 20 кубитами.Цей комп'ютер використовується чисто длядемонстрації того, що принципи квантових обчислень працюють. Це можна порівняти з двома мегабайтами, наприклад, оперативної пам'яті в сучасному світі, тобто, в принципі, це ні про що.
Зараз висловлюються гіпотези, що квантова заплутаність і явище кротових нір — те саме явище.Більш того, кротові нори самі по собі заснованіна такому явищі, як квантова заплутаність. Це говорить про те, що в майбутньому, як варіант, можна буде створювати кротові нори вже штучним шляхом. Тобто заплутуючи якісь квантові біти між собою.
Як виміряти квантовий біт
Існує три погляди на вимір квантового біта.Перший погляд - це Копенгагенська теорія,класичний погляд на процес вимірювання. У ньому записано, що за допомогою вимірювання ми, отримуючи якийсь класичний результат, впливаємо на вимірюваний кубіт. Якщо розглядати в контексті електрона, то вимір електрона представляється у вигляді якоїсь хвилі - тобто це якась хвильова функція. Але вимір призводить до того, що дана хвильова функція схлопивается, і ми маємо справу вже з часткою. Важливо згадати про невизначеність Гейзенберга, в якій мовиться: що ми не можемо знати про хвильову функцію і місце розташування електрона одночасно. Тобто якщо ми будемо вимірювати електрон, то втратимо характеристики хвильової функції. І навпаки, знаючи характеристики хвильової функції, ми не можемо визначити місце розташування електрона.
Другий погляд - це теорія Девіда Бома, в якій мовиться, що ми просто маємо не всієї інформації про систему, а в реальності і до вимірювання, і після вимірювання хвильова функція нікуди не дівається.Просто є якісь приховані параметри, яких мине знаємо. І знаючи ці додаткові характеристики, ми можемо встановити як точне розташування електрона, так і характеристики хвильових функцій. Це можна порівняти з підкиданням звичайної монети. Якщо розглядати з класичної точки зору, підкидання монети вважається рандомним процесом, тобто результат не можна передбачити. Однак, з погляду фізики, ми можемо з точністю визначити, знаючи деякі додаткові характеристики, якою стороною саме впаде монета. Наприклад, початкову силу удару чи силу опору повітря тощо.
І третій погляд на процес виміру - це теорія множинних світів.Дану теорію висловив Хью Еверетт.У ньому записано, що при вимірюванні відбувається якесь розщеплення фізичного світу. І та іпостась, яку ми спостерігаємо, місце розташування електрона, реальна тільки в нашому світі. Паралельно створюються інші світи, в яких реальна вже інша іпостась електрона. Розвиваючи теорію Еверетта, один з творців квантових обчислень свого часу сказав, що, таким чином, сам Всесвіт є певним квантовим комп'ютером і виробляє обчислення.
Причиною появи постквантовой криптографії став був теоретичний квантовий алгоритм, що дозволяє зламати існуючі системи шифрування.Одна з них є основою безпеки багатьохІнтернет-банкінгів, а також основою шифрування веб-сайтів. Припустимо, є радянський шпигун, мета якого передавати інформацію в генштаб, а є третя сторона, яка може це все підслуховувати. До цього ми розглядали шифрування за допомогою одного ключа, але в даному випадку пропонується інший метод. Є протокол RSA, мета якого: генерується два ключі — відкритий ключ і закритий; за допомогою закритого ключа проводиться розшифровування отриманого повідомлення, а за допомогою відкритого шифрування. Цей протокол дозволяє реалізовувати даний алгоритм, тобто створювати відкритий та закритий ключі.
В кінці XX століття Пітером Шором був запропонований новий алгоритм, що дозволяє зламати основу алгоритму RSA.Даний алгоритм є повністю квантовим, і,Отже, виникнення квантового комп'ютера, що реально працює, дозволить зламати сучасні системи захисту. Як результат, виникла нова наука, яка розглядає нові алгоритми, щоб зробити стійкі методи шифрування до злому квантовим комп'ютером.
Читайте також:
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
Зміна клімату змістив вісь Землі
У НАСА розповіли, як вони доставлять зразки Марса на Землю