Článek
Paralelní kvantový svět trochu laickým pohledem.
Úvod
Pojednání o zákonech kvantové mechaniky. O stavech kvantových částic, kvantových stavů, qubitů (jako stavů na sběrnici) a jejich využití. Realitou dnes už je kvantový počítač. V souvislosti se šifrováním je toto téma zajímavé pro kvantovou kryptografii.
Co je to kvantové myšlení?
„Vědecký“ výklad, co je kvantový svět, je složitý: něco existuje v mnoha možnostech zároveň, ale až vaše pozorování donutí ten přesně řízený „chaos“ být jen jednou z možností. Už Einstein váhal, jestli je to věda, nebo jen „strašidelné působení na dálku“.
Jak si to může představit „laik“? Ach ta představivost: „představte si to jako husitskou bitvu. Tady se dva mlátí mečem, támhle leží desítky mrtvých, co jedna řada smetla. O kus dál jízda získává převahu. Při celkovém pohledu na bitevní pole je vidět místa, kde už někdo získává dobré postavení – převahu. Támhle, na kopci, se šikují tisíce bojovníků. To je síla. To je převaha. Mají nejlepší pozici – šanci, že zvítězí. Vojevůdce vydává pokyny prostřednictvím signalistů na hláskách, „hradlech“, aby síly a účinky jednotlivých křídel spolu souzněly, rezonovaly a tím zvyšovaly pravděpodobnost, že bude docílen nejvyšší efekt. Zkušené oko vojevůdce to na první pohled vidí.“ (Kvantový počítač to, na první dobrou, vyhodnocuje také.)
Kvantová mechanika funguje skvěle, ale moudrost v tom nehledejte. Moudrost tam je, ale oku laika není moc přístupná. Co a jak se v tom skrývá, dodnes není úplně pro každého srozumitelné a každý si to vykládá po svém. Jako motto můžeme pro školení použít:
„Je výhodnější se nesnažit za každou cenu pochopit, jak to funguje. Podstatnější je umět přijmout, že to funguje. Jen mít představu, jak to funguje, a hledat, k čemu to lze využít.“
I vědecké kapacity pochybují o reálnosti této části vědy. Říkají třeba:
- Feynman: „Ne všichni, kteří o té problematice hovoří, jí rozumí.“
- Einstein: „Bůh nehraje v kostky.“ „Neriskuje, nečeká, jak to samo dopadne.“
- John Bell: „Kodaňský přístup je mlžení.“
- Niels Bohr a Werner Heisenberg: „Kodaňská interpretace není vysvětlení, ale vyhýbání se vysvětlení.“
- A já: „Obor kvantové mechaniky je řazen do fyziky, ale odlišuje se od klasických, exaktních oborů. Nepracuje s jednoznačnými čísly a přesně určenými výsledky, ale s vlivy, tendencemi a pravděpodobnostmi, které naznačují, jaký výsledek může nastat. Sleduje, jak se mění průběh dějů při interakci s prostředím a jak lze toto prostředí ovlivnit, aby určitý výsledek nabyl vyšší pravděpodobnosti.“
Tedy i sami autoři kvantové mechaniky přiznávají, že je těžké to pochopit. Ale potvrzují, že empiricky (pokusy) je ověřeno, že to funguje. První interpretace kvantové mechaniky pochází z 20. let 20. století, ale dodnes není k dispozici srozumitelné, jednoduché vysvětlení principů kvantové mechaniky. Kvantové děje můžeme, na základě názorů vědců, okomentovat:
- Kvantové částice pracují na úrovni atomů i ještě menších struktur.
- Konečný stav kvantové částice v průběhu procesu neexistuje, dokud proces měřením nezastavíme.
- Měření způsobuje kolaps vlnové funkce. Je to přechod od neurčitých stavů k určitému výsledku. Ztratí se neurčitý stav.
- Neřeší se, proč se to stane, proč dojde k určitému výsledku. Jen víme, že „měřením prostě měřený stav nastane“. A v tom je háček. Měřením se ztratí probíhající neurčitý stav, a to i v kvantovém počítači.
Výše uvedené napovídá, že kvantový počítač nevypočítává otrocky přímočaře výsledek podle programu krok za krokem, ale specifickým chováním – postupem, vzájemným působením stavů qubitů hledá současně (v prostoru) ze zadaných parametrů pravděpodobné, nejvýhodnější kombinace splňující co nejblíže parametry zadání. „Je to jako kdyby klasický počítač prohledával jednu zásuvku po druhé, zatímco kvantový se podívá do všech zásuvek zároveň a pak z nich vybere tu nejvhodnější k dosažení nejvyšší pravděpodobnosti správného výsledku.“ Kvantový děj je v rezonujících místech ovlivňován všemi vstupními vlivy stále a současně. Vyhodnocování výsledku všech vlivů se vyvíjí, děj je ovlivňován pomocí „hradel“ (laserovým světlem, elektromagnetickým zářením – vlněním).
Rychlost probíhajících procesů je podpořena elektrickou supravodivostí. Prostředí čipu kvantového počítače je chlazeno na teplotu blízkou absolutní nule (asi −273 °C).
Nahlédnutím (ve vhodnou chvíli) do nastavení průběhu qubitů se proces v kvantovém počítači zastaví a lze přečíst „výsledek“. Tedy nejpravděpodobněji nejlepší kombinaci stavů qubitů. Neprobíhají při tom matematické výpočty jako třeba v klasickém počítači – vyhodnocuje se vzájemné působení stavů qubitů. Ovlivňováním stavů všech qubitů současně pomocí hradel se hledá nejpravděpodobnější kombinace vedoucí ke správnému výsledku.
Kdy proces v kvantovém počítači zastavit, ukončit měřením? Shor tvrdí, že nejlepší chvíle nastává, když proces doběhne blízko druhé odmocniny počtu možných kombinací stavů qubitů. Předpokládá, že v té chvíli se stav qubitů z 97 % přiblíží správnému výsledku a dojde tím k exponenciálnímu zrychlení výpočtu. Grover má názor, že zrychlení je „jen“ kvadratické. IBM to nevyjadřuje číselně. Vysvětluje, že kvantové obvody entanglují (proplétají mezi sebou) qubity a vytvářejí interference (vzájemnou souhru), která zruší či nepodpoří většinu málo významných výsledků a zvýrazní správné řešení. Tak jako tak, dojdeme k pravděpodobně nejlepšímu řešení rychleji než klasickým počítačem. Proces se může programově vícekrát zopakovat a tím se při většinově totožném výsledku pravděpodobnost správného výsledku přiblíží 100 %. V tom je největší síla této „nové“ technologie.
Kvantové částice mají vlastnosti, které se vymykají obvyklé představivosti. Je to skutečná věda, ale pro laika je výhodnější se nesnažit pochopit do detailu, jak to funguje. I tak ale můžeme některé pojmy trochu popsat na příměrech (Víme, že každý příměr trochu kulhá):
- Dualita částice a vlny
Každá kvantová částice se chová někdy jako částice (např. foton narazí na detektor jako „ťuk“), jindy jako vlna (např. při průchodu dvěma štěrbinami interferuje sama se sebou). Tohle se týká elektronů, fotonů, neutronů… prakticky všeho.
Příměr: „Jako kdyby jedna kapka vody dokázala projít oběma stranami houby najednou.“ „V IBM zdůrazňují, že kvantový bit v superpozici vytvoří všechny možné konfigurace mezi 0 a 1 současně.“ - Neurčitost (nedeterminismus) – Heisenbergův princip neurčitosti
Nelze současně přesně určit polohu a hybnost částice – čím přesněji víme jedno, tím méně víme o druhém.
Příměr: „Z pohledu laika je to duchařina. Z pohledu vědce Borna lze přesně předpovědět rozdělení výsledků měření.“ (No prostě neurčitost). ? - Superpozice stavů
Kvantová částice může být v představách zúčastněných zároveň ve více stavech, dokud není změřena.
Příměr: „Točící se minci v letu lze zahlédnout v obou pozicích – i jako lva, i jako pannu. Není jasné, jakou bude mít hodnotu, až dopadne a my se podíváme.“ - Propletení (entanglement)
I přes problémy s vysvětlením je to jeden z ověřených základních kamenů kvantové teorie. Dvě částice mohou být spojeny tak, že měření jedné okamžitě určuje stav druhé, i když jsou od sebe světelné roky daleko.
Příměr: „Jako kdyby dvojčata cítila totéž, i když je rozdělíte na opačné konce světa. Stejně tak dvě propletené kvantové částice spolu souzní.“ (Proč tomu nechcete věřit, když vám to u dvojčat připadá normální?) - Spin
Je vnitřní rotace částic, atomů, elektronů, fotonů, kvarků, případně neutrinů.
Příměr: „Točící se káča má svou hybnost a stabilitu i v nestabilním prostředí. Jen se točí celým povrchem, jako setrvačník, nikoli uvnitř.“ - Hradla
Jsou přístupy, kterými lze ovlivňovat probíhající děje v kvantovém počítači.
Příměr: „Polní velitelství (hradla) řídí bitvu ve svých obvodech dle pokynů z generálního velitelství. Velitelství podporuje místa, kde by se pravděpodobně jeho armáda mohla prosadit.“ - Dekoherence (kolaps vlnové funkce)
Nastane měřením, interakcí se systémem, které rozptyluje kvantovou informaci a zanechá pouze klasický výsledek. - Skutečné částice a vlna v pozadí
Částice existují a mají dráhy, "jen" jsou ovládány „vlnou“ v pozadí. Vlnu v pozadí lze ovlivňovat, to umožňuje ovlivňovat kvantové částice. Zní to jako sci-fi, vědci v teorii o tom nejsou ve shodě, ale je to experimentálně ověřeno !!!
⚠️ Einstein tomu říkal „strašidelné působení na dálku“ (spooky action at a distance) – a dlouho tomu nevěřil. Ale dnešní experimenty to potvrzují, a je to základ kvantové kryptografie nebo kvantového počítače. Tyto částice netvoří jen základní stavební kameny hmoty, ale i sil a interakcí ve vesmíru. Těžké na představivost, nesnadné si to nějak představit. Ale pořád platí, že je to experimentálně ověřeno!
Závěr
Používat kvantový počítač doma jsme se nenaučili. Doma to nedokáží ani vědci, ale až někdo učeně promluví o kvantovém počítači, tak my už budeme vědět, o čem je řeč.
.: něco z korespondence k tématu:
Ahoj,
přijde mi to pro Laika srozumitelnější než jiné dostupné odborné texty. Pro Středo/vysokoškoláky je to myslím dobrý a tu problematiku jim přiblíží. Stejně by mě teda zajímalo jak to funguje: -
:odpověď:
Můj text nemá a nemůže mít odbornou váhu. Já také nevím jak to funguje. Podle mě to neví nikdo. Začátkem 20-tého století vědci jako Kirchhoff, Hertz, Planck, Bohr, Broglie, Young a později i Einstein experimentálně zjistili a ověřili , že „něco“, tedy malé subatomární částice ( například elektrony, neutrony, atomy, molekuly, fotony) mají, v té době, neznámé vlnové vlastnosti využitelné k urychlení procesů, jejich vzájemnému ovlivňování. Zdůvodnění, v té době, chybělo, ale bylo zjevné a vyhodnotitelné, že to funguje !!!!
Některé z těch jevů dodnes nikdo neví jak fyzikálně a matematicky zdůvodnit - popsat. Tak o tom vědátoři mlží, vymýšlejí nové nesrozumitelné pojmy a vymýšlejí teorie. Přeci oni, vědci nepřiznají, že jen tápou, jak to že to funguje.
Něco na tom být musí, nějaký základ to mít musí. Pátrá po tom několik výzkumných center a stovka (y) vědců. Žádné smysluplné vysvětlení zatím nikdo nenašel. To už by se s tím s velkou pompou vytasil.
K duchařině to blízko má. Např. když dvě částice, spolu „nepropojené“ známými principy - vazbami mění stav v závislosti jedna na druhé i na nekonečné vzdálenosti.
I já si musím vymýšlet, co v tom asi je, že to funguje. Jak vstupní vlivy, tendence, možná i hodnoty vtáhnout do „procesu“. Proces ovlivňovat podle žádaného průběhu a podle už dosaženého „rozkmitání“ prostředí, aby „vlněním, rezonancí“ vynikly vlastnosti, které charakterizují zkoumaný děj. V určitou rozhodnou (zvolenou) chvíli probíhající děj narušit, nabourat, kouknutím - měřením. A zjistit, která část děje nejvíce „rezonuje“ s tím o čem ten děj je. Při nastavených parametrech, tam kde to nejvíce rezonuje je pravděpodobně hledaný výsledek.
Já jsem jen shrnul názory vědců, které mi nepřipadaly jako blábol a trochu je laicky k něčemu přirovnal.
Logicky pomůže to přečíst dvakrát. Při druhém čtení máš pocit, že už jsi o tom někde slyšel a lépe to leze do hlavy.
