Physical Brainstorming

2021-10-22 16:55:55 Открыть/Комментировать

2021-10-22 16:55:52 Физики работают над квантовыми методами шифрования — они устойчивы к дешифровке квантовым компьютером

Исследователи из Университета Айовы изучали свойства фотонов, испускаемых твердыми телами. Их можно использовать для принципиально нового метода шифрования данных, основанного на цвете каждого испускаемого фотона. В частности, их интересует, как много фотонов, одновременно проходящих по оптоволоконному кабелю, не получится различить.

В будущем зашифрованная информация окажется под угрозой — квантовые компьютеры смогут быстро находить подходящий ключ шифрования. Поэтому ученые разрабатывают устойчивые к взлому «квантовые» коды.

На сегодняшний день мы в целом уверены в том, что операции, совершаемые нами в Интернете, безопасны и надежны — неважно, говорим мы об авторизации в почте или о совершении онлайн-покупок. Наши транзакции, персональные данные и любая другая информация защищена шифрованием. Информация кодируется с помощью ключа, на подбор которого уходит много времени даже у компьютеров.

Один из таких алгоритмов предполагает, что два простых, но очень длинных числа, перемножаются между собой. Это число и ещё одно в паре с ним — если говорить точно, то функция Эйлера от первого числа — дают открытый ключ шифрования, а другая пара, вычислить которую куда сложнее — закрытый ключ. Если известны оба ключа, расшифровать сообщение не составит труда — сообщение шифруется открытым ключом и дешифруется закрытым. Но если закрытого ключа нет, придется подбирать, из каких же простых чисел получили открытый ключ.

У обычных компьютеров на эту задачу уйдут десятилетия, но квантовые компьютеры способны решить её за минимальный срок из-за принципа их работы. Чтобы подготовиться к этой проблеме, исследователи работают над кодами, которые не получится взломать квантовыми компьютерами, ведь они основаны на распределении отдельных фотонов. Фотоны — это частички света, которые имеют определенные квантовые характеристики — поляризацию, спин. Между адресатом и адресантом эти характеристики являются общими — так получается своеобразный аналог ключа шифрования. Такое шифрование требует, чтобы фотоны имели одинаковый цвет — тогда их будет невозможно отличить друг от друга.

Ранее не проводился расчет, качественно описывающий флуктуации цвета в свете, испускаемого кубитами. Флуктуации, а именно отклонения в частоте фотона (которая однозначно задает цвет) приводят к шуму, который в свою очередь приводит к потере квантовой когерентности в самих кубитах. Благодаря когерентности квантовый компьютер в принципе существует —, а нарушение когерентности приведет к тому, что ответы алгоритма будут разниться от запуска к запуску с большей вероятности.

С точки зрения физики, декогеренция соответствует внесению информации о квантовом объекте в систему. Между квантовым объектом и окружающим миром возникает квантовая запутанность. Это можно проиллюстрировать знаменитым мысленным экспериментом Шрёдингера про кота: когерентное состояние состоит в том, что кот находится единовременно и жив, и мёртв (а значит, находится в суперпозиции состояний), а некогенентное состояние такую неопределенность снимает — мы вмешиваемся в систему, открывая коробку и проверяя состояние кота. Но исследователи сделали выводы о корректности такого метода шифрования на основании того, что декогеренция в их системе мала.

#QPNews
Взято отсюда Открыть/Комментировать

2021-10-22 12:06:53 Открыть/Комментировать

2021-10-22 12:05:55 Всем доброго времени суток!
Данный канал является научно-популярным и целью этого проекта является расширение знаний подписчиков в области квантовой физики. Исходя из этого я решил провести эксперимент, который может быть вам интересен.

Следующим сообщением будет опрос, в котором есть несколько новостей. Ваша задача заключается в том, что бы выбрать новость, которая действительно могла бы произойти в нашем мире. Остальные новости - фейки.) Открыть/Комментировать

2021-10-19 11:42:05 Открыть/Комментировать

2021-10-19 11:42:04 Ученые достигли квантовой телепортации между двумя чипами

Ученым впервые удалось достигнуть квантовой телепортации между двумя компьютерными чипами, тогда как раньше информацию могли передавать только между частями одной микросхемы. Это событие обещает рывок в дальнейшем развитии квантовых компьютеров и квантового Интернета.

В исследовании, вышедшем в Nature Physics, международная группа ученых зафиксировала достижение в области квантовой телепортации: ее произвели между двумя компьютерными чипами, а не между частями одного чипа. Исследователи смогли мгновенно отправлять информацию с одной микросхемы на другую, когда между теми не было никакого физического или электронного контакта.

Эксперимент проводили в лаборатории, где у фотонов на разных микросхемах одно и то же квантовое состояние. В ходе исследования каждая из микросхем была запрограммирована для выполнения определенных экспериментов, в которых используется запутывание. Основное внимание ученых было приковано к эксперименту по телепортации, где было задействовано два чипа, а квантовое состояние частицы передавалось через две микросхемы после выполнения квантового измерения.

Ученые сообщили, что коэффициент успешной телепортации выше 90%. Более того, им удалось выполнить некоторые другие функции, которые будут важны для будущих квантовых вычислений. Сюда относится перестановка запутанности, когда состояния могут передаваться между частицами, которые никогда не взаимодействовали напрямую через посредника, и запутывание до четырех фотонов.

Раньше информация телепортировалась на гораздо большие расстояния: сначала через комнату, затем на 25 км, на 100 км и, наконец, более чем на 1200 км через спутник. Однако раньше она осуществлялась между разными частями одного компьютерного чипа, а телепортация между двумя разными чипами является крупным прорывом в квантовых вычислениях.

#QPNews
Источник Открыть/Комментировать

2021-10-15 16:39:28 Открыть/Комментировать

2021-10-15 16:39:27 Физики доказали применимость теоремы квантовой физики при «неквантовых» температурах

Отечественные физики показали применимость одной из центральных теорем квантовой физики при «неквантовых» температурах. При абсолютном нуле (-273,15 по Цельсию) могут реализоваться далекие от классических законов эффекты, а их описание заметно упрощается. В жизни столь низких температур достичь невозможно, а потому требуется расширять имеющиеся фундаментальные подходы — что и сделали авторы статьи.

Квантовая физика в некоторой степени находится за гранью классических законов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Именно она может дать человечеству сверхбыстрые устройства, очень точные средства измерения и безопасные пути передачи информации. Однако квантовые эффекты, как правило, требуют особых условий: лучшая температура для них — -273,15°С, или абсолютный нуль. Тогда могут существовать невообразимые вещи вроде квантового принципа суперпозиции и обусловленного им одновременно живого и мертвого кота Шредингера. Описание и предсказание процессов тоже упрощается, потому что можно использовать фундаментальные законы.

«Однако в силу третьего начала термодинамики абсолютный нуль недостижим — он является лишь полезной абстракцией. В реальной жизни температуры всегда конечны, и они могут полностью разрушить деликатные квантовые суперпозиции, лежащие в основе работы квантовых устройств. Поэтому контроль тонких процессов при конечной температуре является центральной задачей квантовых технологий», — рассказывает Олег Лычковский, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Математического института имени В. А. Стеклова РАН.

Если изменятся внешние параметры, изменится и состояние системы. Его описывают при помощи оператора плотности, который в такой ситуации эволюционирует. Даже системы из относительно небольшого количества простейших квантовых элементов чрезвычайно сложны, равно как и описание их развития. Чтобы создавать устройства будущего важно эту «сложность» приручить, например, с помощью адиабатической эволюции: плавное изменение внешних параметров делает развитие квантового состояния более предсказуемым. Макс Борн и В. А. Фок сформулировали адиабатическую теорему, которая гарантирует, что на всех этапах своей эволюции квантовое состояние может оставаться близким к так называемому мгновенному собственному состоянию.

Проблема теоремы заключается в ее применимости к системам только в чистом состоянии, что предполагает и наличие абсолютного нуля, но не реальные конечные температуры. Сотрудники Сколтеха (Москва), Математического института имени В. А. Стеклова (Москва) и Московского физико-технического института (Долгопрудный) показали, как можно использовать адиабатическую теорему в случае систем с конечной температурой. Также они представили количественные условия, с заданной точностью обеспечивающие адиабатичность эволюции. Как демонстрируют эксперименты, адиабатическая динамика для некоторых типов систем при такой температуре оказывается устойчивее, чем при -273,15°С.

«Адиабатические протоколы приготовления квантовых состояний с заданными свойствами весьма разнообразны. Пожалуй, самый известный пример — адиабатический квантовый компьютер, работа которого целиком основана на адиабатической теореме. Устройство такого вида пытаются сконструировать в канадской компании D-Wave Systems Inc. Кроме того, адиабатическое приготовление состояний используется в качестве предварительного или вспомогательного шага и в других схемах квантовых вычислений, а также симуляций и измерений. Наши результаты помогут выбирать оптимальные режимы работы адиабатических протоколов с учетом конечности рабочей температуры квантовых устройств», — подводит итог Олег Лычковский.

#QPNews
Источник Открыть/Комментировать

2021-10-15 14:36:08 Открыть/Комментировать

2021-10-15 14:36:07 Ученые поставили под сомнение классическую теорию Большого взрыва

Ученые из Ливерпульского университета провели исследование, которое доказывает, что у Вселенной не было начала. Таким образом, данная работа ставит под сомнение теорию Большого взрыва, согласно которой примерно 14 млрд лет назад зародилась Вселенная.

Физики в ходе исследования пытались выяснить, как выглядело бы рождение Вселенной без сингулярности Большого взрыва. Отмечается, что наиболее достоверно природу Вселенной описывают квантовая физика, а также общая теория относительности. Однако квантовая физика описывает три из четырех сил природы, то есть гравитация с этой позиции в рамки не укладывается. Наоборот, общая теория относительности представляет собой наиболее полное описание гравитации из когда-либо созданных. Однако в двух важных вопросах она не работает. Надежные результаты сложно получить с помощью данной теории при изучении центров черных дыр и механизмов рождения Вселенной. Эти спорные области называются "сингулярностями" - точками в пространстве-времени, где известные нам законы физики перестают работать.

Физики обратили внимание на теорию причинных множеств. Данное направление основано на математической гипотезе о дискретной структуре пространства-времени. Эта теория в том числе накладывает строгие ограничения на то, насколько близко могут располагаться события в пространстве и времени - согласно теории, они не могут быть ближе, чем размер "атома".

В работе ученых говорится, что теория снимает проблему сингулярности Большого взрыва, так как теоретически сингулярности вообще не могут существовать. Материю невозможно сжать до бесконечно крошечных точек - они не могут быть меньше размера "атома" пространства-времени.

Таким образом, физики пришли к выводу, что у Вселенной, возможно, не было начала, то есть она всегда существовала. А Большой взрыв мог быть моментом в эволюции этой всегда существующей причинной совокупности, а не ее истинным началом.

#QPNews
Источник Открыть/Комментировать