Quantenmagie im Leben

Adiabatischer D-Wave-Computer

Dieser Artikel vervollständigt eine Reihe von Veröffentlichungen, die sich mit einer kritischen Analyse der Quantenmagie befassen : geektimes.ru/post/285378 und geektimes.ru/post/285490 . Aus irgendeinem Grund ärgert dieser Begriff einige Anhänger der neuen Religion. Aber ich habe es nicht erfunden, sondern es von einem seiner Priester oder zumindest von den Eingeweihten ausgeliehen, die versuchten, eine Zeitschrift zu veröffentlichen und ein Buch mit dem Namen royallib.com/book/doronin_sergey/kvantovaya_magiya.html zu schreiben . Darüber hinaus enthält der Name der amerikanischen Firma MagicQ, die sich mit Quantencodierungssystemen befasst, einen Teil des Titels dieses Artikels vor dem Bindestrich. Hier habe ich versucht, über die in der realen Welt existierenden Technologien zu spekulieren, die normalerweise mit Quantenverschränkung im Sinne des EPR-Paradoxons verbunden sind.

Was ist ein adiabatischer Algorithmus?

Es ist bekannt, dass es noch keine vollwertigen Quantencomputer gibt, die mit Registern mit komplizierten Qubits arbeiten. Es gibt nur experimentelle Setups, die mit einer begrenzten Anzahl von Qubits etwas bewirken können. Sie sagen beispielsweise, dass IBM bereits 2001 die Zahl 15 mithilfe des Shore-Algorithmus mit 7 Qubits in zwei einfache Faktoren zerlegen konnte. Aber ich habe nicht die Information erhalten, dass einige andere Nummern diesem Gerät erlegen sind. Vielleicht sah er schlecht aus, aber es scheint mir richtiger zu sein, es nicht als Computer, sondern als einzigartiges physikalisches Experiment zu bezeichnen.

Lassen Sie uns zunächst klären, was „vollwertiger Quantencomputer“ bedeutet. Dies ist ein Gerät, das quantenparalleles Rechnen implementiert (siehe Abschnitt "Computer Gottes" in geektimes.ru/post/285490 ). Wenn nicht, dann bedeutet es, über einen Quantencomputer zu sprechen, Menschen zu täuschen. In Bezug auf den Fortschritt und die Perspektiven der Quantentechnologien sind Journalisten und sogar viele Wissenschaftler sehr erfolgreich daran beteiligt. Es ist erwähnenswert, dass Quantentechnologien im Allgemeinen seit 60 Jahren verwendet werden - seit der Entwicklung des ersten Masers und dann des Lasers. Heutzutage gibt es Computer, die Quanteneffekte verwenden.

Beispiele für einen solchen Computer sind D-Wave- Produkte www.3dnews.ru/822671 . Es ist bekannt, dass Prozessoren mit Registern von 128, 512, 1024 und sogar 2048 Qubits, die D-Wave effektiv präsentiert, keine verschränkten Zustände bilden. Obwohl Gruppen von 8 Qubits (Qubits) in sich selbst verwickelt sein sollen, gibt es immer noch Verwirrung zwischen den einzelnen (wenigen) Qubits. Über die Black Box, die buchstäblich ein D-Wave-Computer ist, ist wenig bekannt.

Es ist jedoch bekannt, dass es das sogenannte implementiert adiabatische Algorithmen. Sie nutzen den Effekt der Energieumverteilung zwischen SQUIDs („Qubits“), bei dem sich das Register auf den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts entspannt. Gleichzeitig ist es möglich, eine sehr enge Klasse von Problemen im Zusammenhang mit der Ganzzahloptimierung zu lösen. Es wird jedoch behauptet, dass es unter ihnen das Problem der reisenden Verkäufer gibt, das schneller gelöst wird als auf jedem Supercomputer. Es macht auf jeden Fall einen Eindruck! Offensichtlich sprechen wir über lokale Optimierung, d. H. Über die schrittweise Verbesserung einer beliebigen Route in der Klasse der Routen, die ziemlich nahe daran liegen. Aus praktischer Sicht arbeiten lokale Optimierungsalgorithmen jedoch in der Regel effizient.

Was ist ein adiabatischer Algorithmus? Ich werde versuchen, dies anhand eines Beispiels zu erklären, das ich mir ausgedacht habe. Vielleicht funktionieren die Algorithmen in D-Wave ganz anders. Aber ich kann mir nicht vorstellen, wie ich den Prozess der Energieumverteilung in einem System von Qubits anders einsetzen könnte. Überzeugen Sie sich selbst, wie plausibel es aussieht. In jedem Fall sollte ein Optimierungsalgorithmus nicht uninteressant sein. Technisch machbar!

In dieser Hinsicht ist der Begriff "Qubit" nicht ganz geeignet, weil Es ist wünschenswert, mehr Bedingungen zu haben. Es gibt ein passendes Wort "kudit". Im Prinzip ist dies das gleiche Qubit, nur hat es nicht 2, sondern eine beliebige Zahl $$$d$ Grundbedingungen. Im Falle von Qubit ( $$$d = 2$ ) adiabatisch kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, aber es wird immer noch angenommen, dass D-Wave für einige Kudits verwendet $$$d \ geq 2$ . Und gehen wir noch weiter und argumentieren, dass Überlagerungen der Basiszustände in diesem Fall nicht erforderlich sind. Um den adiabatischen Algorithmus zu implementieren, reicht es aus, Datenelemente zu haben, von denen jedes in einem von sein kann $$$d$ Energie (stationär) Zustände und gehen in Wechselwirkungen mit Elementen, die nah genug daran sind, von einem zum anderen. Das Register besteht aus $$$n$ solche "Kudits" (wir werden sie in Zukunft nennen).

Lassen Sie Sie die maximale Funktion finden $$$z_1 + z_2 + \ ldots + z_n$ unter Bedingungen

$$

$$\ sum_ {j = 1} ^ n m_j \ cdot z_j = K \ qquad z_j \ geq 0 \ qquad z_j \ in {\ mathbb Z}$$

Chancen $$$m_j$ und $$$K$ sind nicht negative ganze Zahlen. Es ist notwendig, eine (ganzzahlige) Lösung für dieses Optimierungsproblem zu finden. Das Folgende ist ein Beispiel dafür, wie es entstehen könnte.

Transformieren Sie es, indem Sie neue Variablen einführen $$$x_j = z_j / M$ wo $$$M = NOC (m_1, m_2, \ ldots, m_n)$ . Markierung $$$Q = K / M$ Wir bekommen das äquivalente Problem: Finden Sie das Maximum $$$x_1 + x_2 + \ ldots + x_n$ unter Bedingungen

$$

$$\ sum_ {j = 1} ^ n m_j \ cdot x_j = Q \ qquad x_j \ geq 0 \ qquad \ qquad (1)$$

Wir gehen davon aus, dass die Energieniveaus gleichmäßig verteilt sind $$$\ Delta E$ . Das Ausführen des Algorithmus folgt für alle $$$j$ Stellen Sie die Haubennummer ein $$$j$ in einen Energiezustand $$$m_j \ Delta E$ d.h. übertragen auf $$$m_j$ - th Energieniveau (ab Null).

Lassen Sie den aktuellen Wert der Variablen $$$x_j$ bestimmt aus der Gleichung $$$E_j = m_j \ Delta E \ cdot x_j$ wo $$$E_j$ - Energie $$$j$ - Kudit gehen. Dann alle Anfangswerte $$$x_j = 1$ . Bei der Umverteilung der Energie zwischen den Kudits-Werten $$$E_j$ Änderung, die Mengenänderungen emuliert $$$x_j = E_j / (m_j \ Delta E)$ .

Jetzt bieten wir dem Register die Möglichkeit, unabhängig in einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand einzutreten. Dabei übertragen Kudits mit höherer Energie es, um Kudits mit niedrigerer Energie in Vielfachen von Portionen in ihre Nähe zu bringen. $$$\ Delta E$ . Betrachten Sie die Paarinteraktion bei Energie $$$k \ Delta E$ geht von einem Element mit Energie $$$E_p$ zum Element mit Energie $$$E_q$ . Dann die neuen Werte der Variablen $$$x_p$ und $$$x_q$ sind gegeben durch die Ausdrücke:

$$

$$x_p '= x_p- \ frac {k} {m_p} \ qquad x_q' = x_q + \ frac {k} {m_q} \ qquad \ qquad (2)$$

Offensichtlich für solche "Transaktionen" in den meisten Fällen $$$m_p> m_q$ d.h. Anfangsenergie $$$p$ - Kudit mehr als $$$q$ - Geh. Dann folgt aus (2), dass $$$x_p '+ x_q'> x_p + x_q$ d.h. der Wert der Zielfunktion stieg von $$$\ sum_j x_j$ vorher $$$\ sum_j x'_j$ . Dabei $$$z'_p = Mx'_p = M \ left (x_p- \ frac {k} {m_p} \ right) = z_p-k \ frac {M} {m_p}$ ist ganz wenn ganz war $$$z_p$ .

Da der Prozess adiabatisch ist, ändert sich die Gesamtenergie des Systems nicht. Deshalb

$$

$$\ sum_ {j = 1} ^ n m_j \ cdot x_j '\ cdot \ Delta E = \ sum_ {j = 1} ^ n E'_j = \ sum_ {j = 1} ^ n E_j = \ sum_ {j = 1} ^ n m_j \ cdot x_j \ cdot \ Delta E = Q \ Delta E$$

woraus hervorgeht, dass die neuen Werte $$$x'_j$ die Einschränkung (1) erfüllen.

Nachdem sich das thermodynamische Gleichgewicht im System eingestellt hat (dies geschieht sehr schnell), müssen die Werte der Energie der Kudits noch berechnet werden $$$E_j$ teile sie in $$$m_j \ Delta E$ und multiplizieren mit $$$M$ . Holen Sie sich die Lösung für das ursprüngliche Problem $$$z_1, z_2, \ ldots, z_n$ . Beachten Sie, dass bei jedem Schritt des Zahlenalgorithmus $$$z_j = Mx_j$ sind ganze Zahlen, d. h. das Problem der ganzzahligen Optimierung ist gelöst. Wir stellen auch fest, dass die resultierende Lösung lokal optimal ist, aber in der Praxis passt dies möglicherweise zu uns.

Ein reales Beispiel für das betrachtete Problem ist das folgende (spontan erfunden). Lassen Sie Sie die größte Anzahl von Kunden in bedienen $$$n$ Artikel, zu denen jeder eingeladen werden sollte $$$z_j$ die Person. Gleichzeitig verfügt das Unternehmen über einen Barbetrag $$$K$ , die gemäß dem Budget und den Kosten für die Wartung eines Kunden in Absatz für diesen Vorgang ausgegeben werden sollten $$$j$ sind gleich $$$m_j$ .

Ungefähr auf diese Weise lösen D-Wave-Computer offenbar eine sehr enge Klasse von Optimierungsproblemen, die jedoch von praktischem Interesse sind. Zum Beispiel haben Handwerker von Google, die adiabatische Algorithmen verwenden, D-Wave beigebracht, das Bild eines Autos auf einem Foto zu erkennen. Und doch sind die Produkte dieses Unternehmens, obwohl sie von großem Interesse sind, unendlich weit von jedem universellen, wirklich Quantencomputer entfernt.

Quantenradar aus dem Reich der Mitte

Sehr merkwürdige Informationen, dass China angeblich ein Radar erfolgreich mit Paaren von verschränkten Photonen getestet hat, die in einer Entfernung von bis zu 100 km arbeiten und in der Lage sind, unbrauchbare Radartechnologie herzustellen - Unsichtbarkeit sputniknews.com/military/20161004/1045974842/china-quantum-radar-stealth. html Diese Medienressource ist stark pro-chinesisch und weniger pro-russisch. Tapfer solche Agitprop))

Anscheinend blufft China bereits mit Macht und Macht, dass es komplizierte Technologien beherrscht und sie sowohl in der Satellitenkommunikation als auch im Radar einsetzt. Die Idee eines solchen Radars ist ziemlich offensichtlich, wenn man an Quantenmagie glaubt. Eines der beiden in der Polarisation verwickelten EPR-Photonen wird in Form einer stehenden Welle im optischen Hohlraum gefangen, und das zweite traf das Ziel (B2 Spirit). Sobald es aufgrund einer teilweisen Brechung mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 0,5 von der Oberfläche des Objekts reflektiert wurde, erhielt es eine Polarisation senkrecht zur Ebene der Einfallsreflexion. Dies bedeutet, dass sich der Polarisationszustand eines der beiden Photonen des Paares geändert hat. Laut EPR - dem Paradigma (auch bekannt als Quantenmagie) - hat sich auch die Polarisation des zweiten Photons geändert, die im Resonator fehlt. Da dies nicht bei einem, sondern bei vielen Photonenpaaren geschah, kann eine Änderung der Polarisation des Feldes im Hohlraum festgestellt werden. Verstanden, Spirit? Jetzt werden wir den Geist von Ihnen im Namen von Maos hellen Ideen ausschalten! )))

Es ist wichtig zu beachten, dass die Zielerfassung nicht erfolgt, wenn das reflektierte Photon zum Sender zurückkehrt, sondern sofort, sobald es vom Objekt reflektiert wird. Es ist leicht zu verstehen, dass dies der SRT grob widerspricht. Lassen Sie einen Laserstrahl mit Photonen, die in verschränkte Paare eintreten, in eine feste Richtung scheinen. Sobald das unglückliche B2 auf einen Strahl stieß, bestimmten die PLA-Krieger im selben Moment den Azimut und die Höhe des Ziels. Sie kannten diese Winkel vorher, als sie die Richtung des Strahls festlegten, aber der Amerikaner kündigte sein Treffen mit dem Strahl an, bevor er an dieser Stelle gesehen werden konnte! Wenn die maximal zulässige Signalrate nicht überschritten wird $$$s = 299 792 458$ m / s, was dann?

Anhänger und Liebhaber der Quantenmagie stört diese Tatsache nicht. Es ist seit langem üblich, seltsame Effekte zu erklären, indem man sagt, dass die Gesetze der Physik im klassischen Raum geschrieben sind und die Quantenphysik weit darüber hinausgeht, wo andere Regeln gelten (so etwas wie das Durchstechen eines gekrümmten Raums mit einem Schwarzen Loch verringert den Abstand zwischen Sternen dramatisch). Ich gehe nicht davon aus, philosophische Erklärungen, die auf dem Glauben an Quantenwunder beruhen, genau wiederzugeben. Aufgrund der durch Experimente bestätigten Physik kann dies jedoch nicht geschehen.

Das Fiktionsphotonenradar ist also Fiktion? Ja und nein. In der Form, die ich scherzhaft beschrieben habe - definitiv JA. Sie können sich aber den Funktionsmechanismus dieses Radars vorstellen, das rein quantenhafter Natur ist. Es entstehen also keine verwickelten Paare. Stattdessen wird jedes Photon in zwei Modi unterteilt, von denen einer im Resonator verbleibt und der andere zu diesem Zweck zu einem Treffen gesendet wird (siehe das Zitat von Dirac auf S. Aspe Experience unter geektimes.ru/post/285378 ). Nach der Rückkehr des reflektierten Modus und der Absorption des gesamten Photons durch das Radar wird das Feld im Hohlraum schwächer. Mit einer großen Anzahl von Photonen kann dies nachgewiesen werden.

Bei der Bewertung dieser Überlegungen ist es wichtig zu verstehen, dass das Photon keine Schrödinger-Darstellung hat. Und das bedeutet, dass es keinen Ort im Raum hat. Ein Photon ist überall dort vorhanden, wo es ein Feld gibt, zu dem es gehört. Bei dieser Gelegenheit ist es nützlich, die Einleitung zum Buch Dirac "Principles of Quantum Mechanics" zu lesen, in dem er Photonen diskutiert. Es dauert nur ein paar Minuten, aber es hilft, das aufdringliche Bild eines Photons - eines Punktteilchens - loszuwerden, das der falschen Interpretation von Aspes Experimenten zugrunde liegt.

Somit findet anscheinend der übliche Ort statt, jedoch mit Photonen. Es ist klar, dass nur ein kleiner Teil von ihnen zum Radar zurückkehrt. Der reflektierte Photonenmodus ist jedoch eine gestreute Welle, so dass die Wahrscheinlichkeit ihrer Rückkehr zum Strahlungsort nicht so gering ist. All diese heuristischen Überlegungen können natürlich falsch sein. Meine Erklärung basiert jedoch auf CM und zieht keine mystischen Entitäten wie verschränkte Zustände unendlich entfernter Teilchen an.

Eines ist klar: Die Chinesen haben ein Photonenradar entwickelt, mit dem sie Flugzeuge außerhalb der Sichtlinie erkennen können. Dies ist der Erfolg von Wellenoptik- und Photoniktechnologien. Es ist möglich, dass ein solches Radar die Verwundbarkeit von Stealth-Flugzeugen erhöht. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Quantenmagie beteiligt ist, obwohl die Chinesen selbst heilig das Gegenteil glauben.



Ich habe mich auf einen Artikel zu diesem Thema gestützt. Wonderengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes , den ich ohne Kenntnis der Abkürzungen nicht herausfinden konnte. Dies hängt eindeutig nicht mit verschränkten Photonen zusammen. Es sieht aus wie ein normaler Ort mit Photonen.



In dieser Figur wird aus demselben Artikel, soweit man das Funktionsprinzip des Doppler-Radars beurteilen kann.

Kryptographie und spontane parametrische Streuung

Quantenkryptografiesysteme gibt es schon seit Jahrzehnten, wenn nicht mehr. Sie werden ständig mit Quantenmagie gemischt, aber anscheinend hat dies nichts mit solchen Systemen zu tun. Betrachten Sie als Beispiel den hier beschriebenen Algorithmus zur Generierung privater Schlüssel BB84 en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Cryptography .

Der Schutzmechanismus basiert auf der Tatsache, dass eine Angreiferin, die ein von einem polarisierten Photon getragenes Bit abfängt, es in einen Polarisationszustand versetzt, der von dem von Alice festgelegten Zustand abweichen kann. Während der Überprüfung der zwischen Alice und Bob übertragenen Bits wird diese Änderung der Polarisation erkannt. Ein Quanteneffekt wird verwendet - der Übergang eines Photons in seinen eigenen Zustand der gemessenen Polarisation, aber der EPR - nichts mit Verschränkung zu tun.

Somit spielen die tatsächlichen Systeme der Quantenkryptographie die Rolle eines wichtigen Arguments für die Quantenmagie, in Wirklichkeit jedoch nicht. Was die theoretischen Ergebnisse in diesem Bereich betrifft , die auf EPR-Verschränkung basieren, so ist ihre physikalische Machbarkeit mit denselben grundlegenden Problemen verbunden wie Teleportation und Quantencomputer geektimes.ru/post/285490 .

Der Artikel Wonderengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes liefert ein Bild, das die spontane parametrische Streuung eines Photons als hypothetische Quelle verschränkter Paare für ein Quantenradar darstellt . Es wird angenommen, dass sich während dieses Prozesses ein Photon, das durch einen nichtlinearen Kristall geht, spontan in zwei in Polarisation verwickelte Photonen aufspaltet. Dies ist ein bekannter schwacher Effekt aus den späten 60ern. Das resultierende Paar wird Biphoton genannt, theoretisch stellt sich heraus, dass es verwirrend ist.



Spontane parametrische Streuung (spontane Abwärtskonvertierung)

Aber entstehen hier tatsächlich zwei Photonen, wie in der Abbildung gezeigt, oder wäre es richtiger, von zwei Moden eines Photons am Ausgang des Kristalls zu sprechen? Das heißt, über so etwas wie Doppelbrechung? In einigen Artikeln zu diesem Thema schreiben die Autoren vorsichtig, dass der Zerfall eines Photons in zwei Teile nicht zu wörtlich genommen werden sollte. Gemessen an der Tatsache, dass dieser Effekt durch die Interferenz von „Photonen eines Paares“ erfasst wird, kann mit Sicherheit festgestellt werden, dass das Paar hier nicht auftritt. Tatsache ist, dass ein Photon gemäß CM nur mit sich selbst interferieren kann! In seinem Grundbuch P.A.M. Dirac schreibt direkt, dass zwei verschiedene Photonen niemals interferieren (siehe Einleitung). Dieser Umstand wird vermutlich die Theorie der spontanen parametrischen Streuung nicht wesentlich beeinflussen. Es wird jedoch eine wichtige Säule aus dem Mythos der verschränkten Photonen ausschalten, die nach Streuung über Entfernungen von zehn und Hunderten von Kilometern (EPR - Verschränkung) so bleiben. Natürlich muss dieses Problem genau untersucht werden.

Das Ergebnis von drei Veröffentlichungen, die meinen persönlichen Standpunkt zum Ausdruck bringen. Quantenmagie hat keine theoretischen Grundlagen, ist das Produkt willkürlicher Spekulationen mit dem Formalismus des QM und wird in der Tat nicht durch Experimente bestätigt. Die grundlegenden Experimente von Aspe wurden fälschlicherweise auf der Grundlage der klassischen Idee interpretiert, dass in einer Kaskade emittierte Photonen gleichzeitig Eigenwerte von Impulsen und Drehimpulsen aufweisen (was aufgrund von CM und QED unmöglich ist). EPR - das Paradigma ist nicht in realen Quantentechnologien enthalten, die dem widersprechen, was unter dem Druck von Journalisten und nicht sehr gewissenhaften Wissenschaftlern üblich ist. Der wissenschaftlichen Gemeinschaft fehlt eine kritische Bewertung dieses Paradigmas, das tatsächlich zu einem Dogma geworden ist.

PS Meine Artikel werfen in keiner Weise Zweifel an der eigentlichen Quantenmechanik auf. Die Umkehrung der Anhänger der Quantenmagie ist ein Beweis für die oben erwähnte Unehrlichkeit.