Magia cuántica en la vida

Computadora adiabática D-Wave

Este artículo completa una serie de publicaciones dedicadas al análisis crítico de la magia cuántica: geektimes.ru/post/285378 y geektimes.ru/post/285490 . Por alguna razón, este término molesta a algunos seguidores de la nueva religión. Pero no lo inventé, sino que lo tomé prestado de uno de sus sacerdotes, o al menos de los iniciados, que intentaba publicar una revista y escribió un libro con el nombre royallib.com/book/doronin_sergey/kvantovaya_magiya.html . Además, el nombre de la compañía estadounidense MagicQ, dedicada a los sistemas de codificación cuántica, contiene parte del título de este artículo antes del guión. Aquí traté de especular sobre las tecnologías existentes en el mundo real, que generalmente están asociadas con el entrelazamiento cuántico en el sentido de la paradoja EPR.

¿Qué es un algoritmo adiabático?

Se sabe que las computadoras cuánticas completas que operan con registros con qubits intrincados aún no existen. Solo hay configuraciones experimentales que pueden hacer algo con un número limitado de qubits. Por ejemplo, dicen que en 2001 IBM pudo descomponer el número 15 en dos factores simples usando el algoritmo Shore, usando 7 qubits. Pero no encontré la información que otros números sucumbieron a este dispositivo. Tal vez se veía mal, pero me parece que es más correcto llamarlo no una computadora, sino un experimento físico único.

Primero aclaremos lo que significa "computadora cuántica completa". Tal es un dispositivo que implementa computación cuántica y paralela (ver párrafo "Computadora de Dios" en geektimes.ru/post/285490 ). Si no, hablar de una computadora cuántica significa engañar a las personas. Con respecto al progreso y las perspectivas de las tecnologías cuánticas, los periodistas e incluso muchos científicos están muy involucrados en esto. Vale la pena señalar que las tecnologías cuánticas, en general, se han utilizado durante 60 años, desde la creación del primer maser, y luego el láser. Hoy en día, hay computadoras que usan efectos cuánticos.

Ejemplos de tales computadoras son los productos D-Wave www.3dnews.ru/822671 . Se sabe que los procesadores con registros de 128, 512, 1024 e incluso 2048 qubits, que D-Wave presenta efectivamente, no forman estados entrelazados. Aunque se dice que grupos de 8 qubits (qubits) están enredados dentro de sí mismos, todavía hay confusión entre los qubits individuales (pocos). Poco se sabe sobre la caja negra, que literalmente es una computadora D-Wave.

Sin embargo, se sabe que implementa el llamado algoritmos adiabáticos. Utilizan el efecto de la redistribución de energía entre SQUID ("qubits"), durante el cual el registro se relaja hasta el estado de equilibrio termodinámico. Al mismo tiempo, es posible resolver una clase muy estrecha de problemas relacionados con la optimización de enteros. Sin embargo, se alega que entre ellos está el problema del vendedor ambulante, que se resuelve más rápido que en cualquier supercomputadora. Ciertamente hace una impresión! Obviamente, estamos hablando de la optimización local, es decir, de la mejora paso a paso de una ruta arbitraria en la clase de las rutas que están bastante cerca de ella. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, los algoritmos de optimización local, como regla, funcionan de manera eficiente.

¿Qué es un algoritmo adiabático? Trataré de explicar esto con un ejemplo que se me ocurrió. Tal vez los algoritmos en D-Wave funcionan de manera bastante diferente. Pero no puedo imaginar cómo utilizar el proceso de redistribución de energía en un sistema de qubits de lo contrario. Juzga por ti mismo lo plausible que se ve. En cualquier caso, como algoritmo de optimización no debería ser poco interesante. ¡Técnicamente factible!

A este respecto, el término "qubit" no es del todo adecuado, porque Es deseable tener más condiciones. Hay una palabra adecuada "kudit". En principio, este es el mismo qubit, solo que no tiene 2, sino un número arbitrario $$$d$ condiciones de base. En el caso de qubit ( $$$d = 2$ ) adiabáticamente también se puede considerar, pero supongamos que D-Wave utiliza kudits para algunos $$$d \ geq 2$ . Y vayamos aún más lejos, argumentando que las superposiciones de los estados base no son necesarias en este caso. Para implementar el algoritmo adiabático, es suficiente tener elementos de datos, cada uno de los cuales puede estar en uno de $$$d$ estados de energía (estacionaria) y van de uno a otro en interacciones con elementos que están lo suficientemente cerca de él. El registro consta de $$$n$ tales "kudits" (los llamaremos en el futuro).

Permitir que necesites encontrar la función máxima $$$z_1 + z_2 + \ ldots + z_n$ bajo condiciones

$$

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

Las probabilidades $$$m_j$ y $$$K$ son enteros no negativos. Es necesario encontrar una solución (entera) para este problema de optimización. El siguiente es un ejemplo de cómo podría surgir.

Transfórmalo introduciendo nuevas variables $$$x_j = z_j / M$ donde $$$M = NOC (m_1, m_2, \ ldots, m_n)$ . Marcado $$$Q = K / M$ obtenemos el problema equivalente: encontrar el máximo $$$x_1 + x_2 + \ ldots + x_n$ bajo condiciones

$$

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

Suponemos que los niveles de energía están igualmente espaciados en $$$\ Delta E$ . Para ejecutar el algoritmo sigue para todos $$$j$ establecer el número de campana $$$j$ en un estado de energía $$$m_j \ Delta E$ , es decir, transferirlo a $$$m_j$ - th nivel de energía (a partir de cero).

Deje que el valor actual de la variable $$$x_j$ determinado a partir de la ecuación $$$E_j = m_j \ Delta E \ cdot x_j$ donde $$$E_j$ - energía $$$j$ - Vete kudit. Entonces todos los valores iniciales $$$x_j = 1$ . En el proceso de redistribución de energía entre valores de kudits $$$E_j$ cambio que emula cambios en cantidades $$$x_j = E_j / (m_j \ Delta E)$ .

Ahora proporcionaremos al registro la oportunidad de entrar independientemente en un estado de equilibrio termodinámico. En el proceso, los kudits de mayor energía lo transferirán a los kudits cercanos con menor energía en múltiples porciones. $$$\ Delta E$ . Considere la interacción de pares cuando la energía $$$k \ Delta E$ va de un elemento con energía $$$E_p$ al elemento con energía $$$E_q$ . Luego los nuevos valores de las variables $$$x_p$ y $$$x_q$ están dados por las expresiones:

$$

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

Obviamente, para tales "transacciones" en la mayoría de los casos $$$m_p> m_q$ , es decir, energía inicial $$$p$ - Ir kudit más que $$$q$ - vete. Entonces se sigue de (2) que $$$x_p '+ x_q'> x_p + x_q$ , es decir, el valor de la función objetivo aumentó de $$$\ sum_j x_j$ antes $$$\ sum_j x'_j$ . Al mismo tiempo $$$z'_p = Mx'_p = M \ left (x_p- \ frac {k} {m_p} \ right) = z_p-k \ frac {M} {m_p}$ es completo si todo era $$$z_p$ .

Como el proceso es adiabático, la energía total del sistema no cambia. Por lo tanto

$$

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

de donde parece que los nuevos valores $$$x'_j$ satisfacer la restricción (1).

Después de que se establece el equilibrio termodinámico en el sistema (esto sucederá muy rápidamente), queda por calcular los valores de la energía de los kudits. $$$E_j$ dividirlos en $$$m_j \ Delta E$ y multiplicar por $$$M$ . Obtenga la solución al problema original $$$z_1, z_2, \ ldots, z_n$ . Tenga en cuenta que en cada paso del algoritmo numérico $$$z_j = Mx_j$ son enteros, es decir, se resuelve el problema de la optimización de enteros. También observamos que la solución resultante será localmente óptima, pero quizás en la práctica esto nos convenga.

Un ejemplo real del problema considerado es el siguiente (inventado de improviso). Permitirle atender al mayor número de clientes en $$$n$ artículos a cada uno de los cuales deben ser invitados $$$z_j$ la persona Al mismo tiempo, la compañía tiene un monto en efectivo. $$$K$ , que debe gastarse en esta operación de acuerdo con el presupuesto y el costo de atender a un cliente en el párrafo $$$j$ son iguales $$$m_j$ .

Aparentemente, aproximadamente de esta manera, las computadoras D-Wave resuelven una clase muy estrecha de problemas de optimización, que, sin embargo, son de interés práctico. Por ejemplo, los artesanos de Google que utilizan algoritmos adiabáticos le enseñaron a D-Wave a reconocer la imagen de un automóvil en una fotografía. Y, sin embargo, los productos de esta empresa, aunque de gran interés, están infinitamente lejos de cualquier computadora universal y verdaderamente cuántica.

Radar cuántico del Reino Medio

Información extremadamente curiosa de que China supuestamente probó con éxito un radar utilizando pares de fotones enredados, operando a distancias de hasta 100 km y capaz de inutilizar la tecnología de radar - invisibilidad sputniknews.com/military/20161004/1045974842/china-quantum-radar-stealth. html Este recurso de medios es altamente pro-chino y menos pro-ruso. Valiente como agitprop))

Aparentemente, China ya está fanfarroneando con fuerza y ​​dominio de que ha dominado tecnologías complicadas y las usa en comunicaciones por satélite, así como en radares. La idea de tal radar es bastante obvia, si crees en la magia cuántica. Uno de los dos EPR: los fotones enredados en la polarización quedan atrapados en la cavidad óptica en forma de onda estacionaria, y el segundo fue a encontrarse con el objetivo (B2 Spirit). Tan pronto como se reflejó desde la superficie del objeto, inmediatamente, debido a una refracción parcial, con una probabilidad de más de 0.5, adquirió una polarización perpendicular al plano de incidencia-reflexión. Esto significa que el estado de polarización de uno de los dos fotones del par ha cambiado. Según el EPR, el paradigma (también conocido como magia cuántica), la polarización del segundo fotón, lo que falta en el resonador, también ha cambiado. Como esto sucedió no con un par de fotones, sino con muchos, se puede detectar un cambio en la polarización del campo en la cavidad. ¿Entendido, espíritu? ¡Ahora eliminaremos tu espíritu en nombre de las brillantes ideas de Mao! )))

Es importante prestar atención al hecho de que la detección del objetivo no ocurre cuando el fotón reflejado regresa al transmisor, sino inmediatamente tan pronto como se refleja desde el objeto. Es fácil entender que esto es muy contrario a SRT. De hecho, deje que un rayo láser con fotones entrando en pares enredados brille en una dirección fija. Tan pronto como el malogrado B2 se encontró con un rayo, en el mismo instante los guerreros del EPL determinaron el acimut y la elevación del objetivo. Conocían estos ángulos de antemano cuando fijaron la dirección del rayo, ¡pero el estadounidense anunció su reunión con el rayo antes de que pudiera verse en este lugar! Si no excede la velocidad de señal máxima permitida $$$s = 299 792 458$ m / s, entonces qué?

Adherentes y amantes de la magia cuántica, este hecho no molesta. Durante mucho tiempo se ha acostumbrado a explicar efectos extraños diciendo que las leyes de la física están escritas en el espacio clásico y que la física cuántica penetra mucho más allá, donde se aplican otras reglas (algo como perforar un espacio curvo con un agujero negro reduce drásticamente la distancia entre las estrellas). No pretendo reproducir con precisión explicaciones filosóficas basadas en la creencia en los milagros cuánticos. Pero basado en la física que ha sido confirmada por experimentos, esto no puede suceder.

Entonces, ¿el radar de fotones de ficción es ficción? Si y no En la forma que describí en broma, definitivamente SÍ. Pero puede concebir el mecanismo de funcionamiento de este radar, que tiene una naturaleza puramente cuántica. Entonces, no surgen pares enredados. En cambio, cada fotón se divide en dos modos, uno de los cuales permanece en el resonador, y el otro se envía para reunirse con el propósito ( por este motivo, vea la cita de Dirac en p. Aspe Experience geektimes.ru/post/285378 ). Después del retorno del modo reflejado y la absorción de todo el fotón por el radar , el campo en la cavidad se debilita. Con una gran cantidad de fotones, esto se puede detectar.

Al evaluar estas consideraciones, es importante comprender que el fotón no tiene representación de Schrödinger. Y esto significa que no tiene una ubicación en el espacio. Un fotón está presente dondequiera que haya un campo del que forme parte, más o menos. En esta ocasión, es útil leer la introducción al libro de Dirac "Principios de la mecánica cuántica", donde analiza los fotones. Solo toma unos minutos, pero ayuda a deshacerse de la imagen intrusiva de un fotón, una partícula puntual, que subyace en la falsa interpretación de los experimentos de Aspe.

Por lo tanto, aparentemente, tiene lugar la ubicación habitual, pero con fotones. Está claro que solo una pequeña parte de ellos vuelve al radar. Sin embargo, el modo de fotón reflejado será una onda dispersa, por lo que la probabilidad de que regrese al lugar de radiación no es tan pequeña. Todas estas consideraciones heurísticas, por supuesto, pueden ser erróneas. Sin embargo, mi explicación se basa en CM y no atrae entidades místicas como estados entrelazados de partículas infinitamente distantes.

Una cosa está clara: los chinos han creado un radar de fotones que les permite detectar aviones más allá de la línea de visión. Este es el éxito de las tecnologías de óptica de onda y fotónica. Es posible que dicho radar aumente la vulnerabilidad de los aviones furtivos. Pero es poco probable que intervenga la magia cuántica, aunque los propios chinos creen sagradamente lo contrario.



A partir de un artículo sobre este tema, wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes , que no pude resolver sin conocer las abreviaturas. Esto claramente no está relacionado con los fotones enredados. Parece una ubicación normal con fotones.



En esta figura, del mismo artículo, hasta donde se puede juzgar, el principio de funcionamiento del radar Doppler.

Criptografía y dispersión paramétrica espontánea

Los sistemas de criptografía cuántica han existido durante décadas, si no más. Se mezclan constantemente con la magia cuántica, pero, aparentemente, no tiene nada que ver con tales sistemas. Como ejemplo, considere el algoritmo de generación de clave privada BB84 descrito aquí en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Cryptography .

El mecanismo de protección se basa en el hecho de que si un atacante Eva intercepta un bit transportado por un fotón polarizado, lo pondrá en un estado de polarización, que puede diferir del establecido por Alice. Durante la verificación de los bits transmitidos entre Alice y Bob, se detectará este cambio en la polarización. Se utiliza un efecto cuántico, la transición de un fotón a su propio estado de polarización medida, pero el EPR, nada que ver con el enredo.

Por lo tanto, los sistemas reales de criptografía cuántica desempeñan el papel de un argumento importante a favor de la magia cuántica, pero en realidad no lo son. En cuanto a los resultados teóricos en esta área, basados ​​en el enredo EPR, su viabilidad física está asociada con los mismos problemas fundamentales que la teletransportación y la computación cuántica geektimes.ru/post/285490 .

El artículo wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes proporciona una imagen que representa la dispersión paramétrica espontánea de un fotón como una fuente hipotética de pares enredados para un radar cuántico . Se cree que durante este proceso un fotón que pasa a través de un cristal no lineal se divide espontáneamente en dos fotones enredados en la polarización. Este es un efecto débil conocido de finales de los 60. La pareja resultante se llama biphoton; en teoría, resulta confusa.



Dispersión paramétrica espontánea (conversión descendente espontánea)

Pero, ¿surgen realmente dos fotones aquí, como se muestra en la figura, o sería más correcto hablar de dos modos de un fotón a la salida del cristal? Es decir, ¿sobre algo como la birrefringencia? En algunos artículos sobre este tema, los autores escriben con cautela que la descomposición de un fotón en dos no debe tomarse demasiado literalmente. A juzgar por el hecho de que este efecto se detecta a través de la interferencia de "fotones de un par", se puede afirmar con seguridad que el par no surge aquí. El hecho es que, de acuerdo con CM, ¡un fotón solo puede interferir consigo mismo! En su libro fundamental P.A.M. Dirac escribe directamente que dos fotones diferentes nunca interfieren (vea la introducción). Esta circunstancia, presumiblemente, no afectará significativamente la teoría de la dispersión paramétrica espontánea. Sin embargo, eliminará un pilar importante bajo el mito de los fotones enredados que permanecen así después de dispersarse a distancias de decenas y cientos de kilómetros (EPR - enredos). Por supuesto, este problema necesita una investigación precisa.

El resultado de tres publicaciones que expresan mi punto de vista personal. La magia cuántica no tiene fundamentos teóricos, es producto de especulaciones arbitrarias con el formalismo de QM y, de hecho, no se confirma con experimentos. Los experimentos fundamentales de Aspe se interpretaron erróneamente sobre la base de la idea clásica de que los fotones emitidos en una cascada tienen valores propios de momentos y momentos angulares al mismo tiempo (lo cual es imposible debido a CM y QED). EPR: el paradigma no se materializa en tecnologías reales y cuánticas contrarias a lo que se acostumbra a pensar bajo la presión de periodistas y científicos poco concienzudos. La comunidad científica carece de una evaluación crítica de este paradigma, que en realidad se ha convertido en un dogma.

PD Mis artículos no ponen en duda la mecánica cuántica propiamente dicha. Lo contrario de los seguidores de la magia cuántica es evidencia de la deshonestidad mencionada anteriormente.