Философия и квантовая физика

Квантовые вычисления и криптография

Квантовая механика пересматривает понятие информации и ее основные свойства. Исследования квантовой информации включают в себя квантовую криптографию, изучающую компромисс между извлечением информации и ее нарушением в различных приложениях. Они также включают квантовую коррекцию ошибок, в том числе изучение методов защиты информации от декогеренции.
 
По сравнению с нашим повседневным опытом, квантовый мир – мир очень маленьких атомов и элементарных частиц - невероятно странный мир. Например, для одной частицы вполне возможно вести себя, как если бы она была более чем в одном месте в одно и то же время. Ломается наше представление о том, что является отдельным, в квантовом мире частицы могут быть в километрах друг от друга и, в некоторых отношениях, действовать как единое целое.
 
Как это ни странно, но нет никаких сомнений в том, что именно так работает квантовый мир. Это показали сотни экспериментов и успешных технологических применений. Например, транзистор (основа большинства современных компьютеров), лазер (основа современных сетей волоконно-оптической связи), МРТ (магнитно-резонансная томография) и многое другое.
 
В настоящее время физики работают над еще одним квантовым применением. Их цель состоит в том, чтобы использовать квантовую странность в разработке новых технологий, которые перенесут нас из информационного века в эпоху квантовой информации. Это уже привело к возникновению квантовой криптографии, самой безопасной формы отправки секретных сообщений. Есть надежда, что это также приведет к практической реализации нового типа компьютера, квантового компьютера, способного решать определенные типы задач гораздо быстрее, чем любой стандартный компьютер.
 
Квантовая криптография
Наш современный мир в значительной мере опирается на методы криптографии - науки и технологии создания, передачи и расшифровки тайных сообщений. В обычной криптографии отправитель секретного сообщения (Алиса) использует ключ для шифрования сообщения, а получатель (Боб) использует тот же ключ для расшифровки сообщения. Абсолютная безопасность достигается тем, что только Алиса и Боб знают ключ и используют его только один раз. В квантовой криптографии можно распределить случайные цифровые ключи между Алисой и Бобом таким образом, что любая попытка подслушать это квантовое распределение ключей (КРК) гарантированно будет обнаружена. Эта гарантия есть результат необычной квантовой природы нашей Вселенной, она не зависит от того, насколько умен противник или насколько передовые у него технологии. 
 
Методы квантового распределения ключей опираются на одно или оба из двух важных свойств квантового мира. Первое свойство заключается в том, что квантовые системы, такие как фотоны (частицы света) очень нежные, и легко возмущаются любым измерением над ними, а подслушивание обязательно включает в себя измерение. Во-вторых, можно запутать (см. квантовые основания) пару квантовых систем, например, два фотона, так что, даже если они разделены километрами, они будут вести себя в некоторых отношениях, как единая система. Выполнение измерений с одним из пары фотонов будет влиять на второй. Такие запутанные пары фотонов могут быть отправлены к Алисе и Бобу, и, следуя определенному рецепту для измерения фотонов, они могут сгенерировать общий секретный ключ случайных чисел, который они затем могут использовать для отправки своих сообщений с абсолютной безопасностью, даже по каналу связи общего пользования. 
 
В настоящее время есть несколько коммерческих реализаций таких квантовых систем шифрования, работающих на расстоянии нескольких километров. Одна из многих интересных областей исследований - разработка свободного пространства связей квантового распределение ключей, способных работать между наземными станциями и спутниками, что может привести к глобальной абсолютно безопасной квантовой коммуникационной сети.
 
Квантовые компьютеры
Вся информация обрабатывается на компьютере в терминах битов - элементарных единиц информации, которые могут находиться в одном из двух возможных состояний. Эти состояния, как правило, называют 0 и 1. Вся информация на вашем компьютере хранится в закодированном виде длинных последовательностей нулей и единиц. Например, последовательность из трех битов позволяет создать восемь различных комбинаций, и, таким образом, представляет восемь различных чисел (или букв, или городов, и т.д.): 000 = 0, 001 = 1, 010 = 2, 011 = 3, 100 = 4, 101 = 5, 110 = 6, и 111 = 7. 
 
В квантовом компьютере, ситуация принципиально богаче. Чтобы понять почему, мы должны признать, что любая информация в вычислительной машине хранится не абстрактно, а в какой-то конкретной физической форме: например, в расположении бусин на счетах, в электрическом токе через транзистор в обычном компьютере или электрических импульсах, путешествующих по нейронам мозга. В обычном компьютере, 0 состояние может быть представлено как транзистор "выключен" (без тока), а 1 состояние как "включен" (ток течет). Информация, таким образом, физична и ее обработка происходит в соответствии с законами физики.
 
Обычные компьютеры полагаются на законы квантовой физики. Транзисторы – это квантовые приборы, но они слишком велики, чтобы в состоянии использовать весь потенциал квантовой странности, которая происходит в масштабе атомов и субатомных частиц. Тем не менее, в настоящее время технология достигла такого уровня, что мы в состоянии построить и управлять устройствами на атомном масштабе. Это означает, что мы имеем возможности для создания компьютеров, хранящих и обрабатывающих информацию в полной мере квантовым способом.
 
Например, электрон - замечательное чисто квантовое "устройство", которое ведет себя как маленький, вечно вращающийся магнит. Если он находится в области другого магнитного поля, он может иметь два естественных состояния, либо вдоль поля, или против него. Мы называем эти два состояния спин вверх и спин вниз. Таким образом, электрон может быть использован для хранения одного бита информации, скажем со спин вниз = 0, спин вверх = 1.
 
Это похоже на обычный компьютер, кроме того, что информация хранится в невероятно маленьком пространстве. Например, информация может быть сохранена в электронах, и поэтому каждый бит информации занимает пространство атома, что гораздо меньше, чем в традиционной среде хранения данных, таких как жесткий диск вашего компьютера.
 
Теперь мы подошли к квантовой "магии". Выше отмечалось, что одна из странных особенностей квантового мира состоит в том, что одна частица может вести себя так, как будто она находится более чем в одном месте в одно и то же время. Это общее свойство квантового мира, когда вещи могут существовать одновременно в более чем одном состоянии, называется принципом суперпозиции. В случае электрона, он может существовать в обоих состояниях - спин вверх и спин вниз - одновременно. Другими словами, вместо просто 0 или 1, это может быть и 0 и 1.
 
Как это нам поможет? Если у нас есть, скажем, три таких «квантовых бита», или «кубита», то вместо того, чтобы просто находиться в состояниях 000, 001, 010 и т.д. (восемь возможностей, перечисленные выше), они могут быть, в некотором смысле, во всех этих состояниях одновременно. В этом случае можно манипулировать этими кубитами, используя законы квантовой физики, чтобы выполнить несколько вычислений одновременно: квантово-параллельных вычислений. Этот квантовый параллелизм ведет к тому, что вычислительная мощность растет в геометрической прогрессии, в два раза с каждым дополнительным кубитом. Добавление 1 кубита увеличивает вычислительную мощность с коэффициентом 2. Добавление 2 кубитов увеличивает его до 4. Добавление 3 кубитов увеличивает его на 8, и так далее. С помощью всего лишь ста кубитов, вычислительная мощность будет намного превышать все, что мы могли бы надеяться достичь с помощью обычного компьютера.
 
Секрет заключается в том, как "манипулировать" этими кубитами, что является квантовым аналогом традиционной компьютерной программы, говорящей компьютеру, какие вычисления надо выполнять. Пока есть только несколько видов задач, для которых мы знаем, как задать вопрос квантовому компьютеру, чтобы он решил их. Хотя, конечно, эти задачи имеют большое практическое значение. Один из них - вопрос о том, как написать данное, очень большое число в виде произведения простых чисел, находится в центре одного из наиболее часто используемых методов современного шифрования. С помощью рабочего квантового компьютера, вы можете легко расшифровать зашифрованные сообщения, плавающие в настоящее время в Интернете между банками и правительствами (тем не менее, как говорилось выше, даже квантовый компьютер не может быть использован для прослушивания квантового процесса распространения ключей). Теоретические физики и математики в настоящее время работают над тем, чтобы расширить типы задач, которые можно предложить квантовому компьютеру.
 
Есть также ряд экспериментальных задач. Как мы видели в обсуждении квантовой криптографии, квантовая информация, хранящаяся в суперпозиции запутанных состояний, очень хрупка и легко разрушается внешними воздействиями. В идеале, квантовый компьютер должен быть совершенно изолирован от окружающей среды во время выполнения им квантово-параллельных вычислений. Конечно, на практике это невозможно, поэтому всегда возникают случайные ошибки в вычислениях. Тем не менее, физики и специалисты в компьютерных вычислениях опираются на классическую теорию отказоустойчивой коррекции ошибок (она применяется для стабилизации обычных вычислений, выполняемых в нестабильных условиях или в течение очень длительного времени), чтобы разработать набор методов, которые позволят нам защитить квантовую информацию от реальных ошибок. Эти методы требуют хорошего, но не идеального контроля над квантовой системой. Физики-экспериментаторы и инженеры во всем мире работают в направлении развития квантовых компьютеров, которые будут надежными в реальном мире.
 
До сих пор квантовые компьютеры - в основном теоретические конструкции, хотя были построены очень простые версии, доказывающие правильность самого принципа. Когда однажды физикам-экспериментаторам удастся построить большие квантовые компьютеры, мы сможем использовать странность квантового мира для выполнения за секунды отдельных видов расчетов, которые на обычном компьютере заняли бы тысячи лет.
 
Попытки использовать квантовый мир для создания новых мощных и практических технологий заставляют физиков более глубоко размышлять о том, как работает Вселенная. Понимание оснований квантовой теории, в свою очередь, может привести к новому взгляду на еще большую проблему: сочетание квантовой теории и теории относительности в единой теории квантовой гравитации.
 
Оригинал текста здесь

© 2014 «Философия и квантовая механика». Сайт создан в  Wix.com