La magie quantique dans la vie

Ordinateur adiabatique D-Wave

Cet article complète une série de publications consacrées à une analyse critique de la magie quantique: geektimes.ru/post/285378 et geektimes.ru/post/285490 . Pour une raison quelconque, ce terme agace certains adeptes de la nouvelle religion. Mais je ne l'ai pas inventé, mais je l'ai emprunté à l'un de ses prêtres, ou du moins aux initiés, qui tentait de publier un magazine et a écrit un livre intitulé royallib.com/book/doronin_sergey/kvantovaya_magiya.html . De plus, le nom de la société américaine MagicQ, engagée dans les systèmes de codage quantique, contient une partie du titre de cet article avant le tiret. Ici, j'ai essayé de spéculer sur les technologies existantes dans le monde réel, qui sont généralement associées à l'intrication quantique au sens du paradoxe EPR.

Qu'est-ce qu'un algorithme adiabatique?

Il est connu que les ordinateurs quantiques à part entière fonctionnant avec des registres à qubits complexes n'existent pas encore. Il n'y a que des configurations expérimentales qui peuvent faire quelque chose avec un nombre limité de qubits. Par exemple, ils disent qu'en 2001, IBM a pu décomposer le nombre 15 en deux facteurs simples en utilisant l'algorithme Shore, en utilisant 7 qubits. Mais je n'ai pas rencontré l'information selon laquelle certains autres numéros ont succombé à cet appareil. Peut-être qu'il regardait mal, mais, il me semble, il est plus correct de l'appeler non pas un ordinateur, mais une expérience physique unique.

Précisons d'abord ce que signifie «ordinateur quantique à part entière». Tel est un appareil qui implémente l'informatique parallèle quantique (voir le paragraphe "Ordinateur de Dieu" dans geektimes.ru/post/285490 ). Sinon, parler d'un ordinateur quantique signifie tromper les gens. En ce qui concerne les progrès et les perspectives des technologies quantiques, les journalistes et même de nombreux scientifiques y participent avec beaucoup de succès. Il convient de noter que les technologies quantiques, d'une manière générale, sont utilisées depuis 60 ans - depuis la création du premier maser, puis du laser. Aujourd'hui, il existe des ordinateurs qui utilisent des effets quantiques.

Des exemples d'un tel ordinateur sont les produits D-Wave www.3dnews.ru/822671 . Il est connu que les processeurs avec des registres de 128, 512, 1024 et même 2048 qubits, que D-Wave présente effectivement, ne forment pas d'états intriqués. Bien que des groupes de 8 qubits (qubits) soient censés être enchevêtrés en eux-mêmes, il y a toujours une confusion entre les qubits individuels (peu nombreux). On sait peu de choses sur la boîte noire, qui est littéralement un ordinateur D-Wave.

Cependant, on sait qu'il met en œuvre ce que l'on appelle algorithmes adiabatiques. Ils utilisent l'effet de redistribution d'énergie entre les SQUID («qubits»), pendant lequel le registre se détend à l'état d'équilibre thermodynamique. Dans le même temps, il est possible de résoudre une classe très étroite de problèmes liés à l'optimisation des nombres entiers. Cependant, il est allégué que le problème des vendeurs ambulants est résolu plus rapidement que sur n'importe quel supercalculateur. Cela fait certainement une impression! Évidemment, nous parlons d'optimisation locale, c'est-à-dire d'amélioration étape par étape d'une route arbitraire dans la classe des routes qui en sont assez proches. Cependant, d'un point de vue pratique, les algorithmes d'optimisation locaux, en règle générale, fonctionnent efficacement.

Qu'est-ce qu'un algorithme adiabatique? Je vais essayer d'expliquer cela avec un exemple que j'ai trouvé moi-même. Peut-être que les algorithmes de D-Wave fonctionnent très différemment. Mais je ne peux pas imaginer comment utiliser le processus de redistribution d'énergie dans un système de qubits autrement. Jugez par vous-même à quel point cela semble plausible. Dans tous les cas, un algorithme d'optimisation ne doit pas être sans intérêt. Techniquement faisable!

À cet égard, le terme «qubit» n'est pas tout à fait approprié, car il est souhaitable d'avoir plus de conditions. Il y a un mot approprié "kudit". En principe, c'est le même qubit, seulement il n'a pas 2, mais un nombre arbitraire $$$d$ conditions de base. Dans le cas de qubit ( $$$d = 2$ ) adiabatiquement peut également être envisagé, mais suppose toujours que D-Wave utilise des kudits pour certains $$$d \ geq 2$ . Et allons encore plus loin, en faisant valoir que les superpositions des états de base ne sont pas nécessaires dans ce cas. Pour implémenter l'algorithme adiabatique, il suffit d'avoir des éléments de données, chacun pouvant être dans l'un des $$$d$ l'énergie (stationnaire) se déplace et passe de l'un à l'autre en interaction avec des éléments assez proches. Le registre est composé de $$$n$ ces «kudits» (nous les appellerons à l'avenir).

Laissez-vous besoin de trouver la fonction maximale $$$z_1 + z_2 + \ ldots + z_n$ sous conditions

$$

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

Cotes $$$m_j$ et $$$K$ sont des entiers non négatifs. Il est nécessaire de trouver une solution (entière) à ce problème d'optimisation. Ce qui suit est un exemple de la façon dont cela peut survenir.

Transformez-le en introduisant de nouvelles variables $$$x_j = z_j / M$ où $$$M = NOC (m_1, m_2, \ ldots, m_n)$ . Marquage $$$Q = K / M$ on obtient le problème équivalent: trouver le maximum $$$x_1 + x_2 + \ ldots + x_n$ sous conditions

$$

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

Nous supposons que les niveaux d'énergie sont également espacés $$$\ Delta E$ . Pour exécuter l'algorithme suit pour tous $$$j$ définir le numéro de capot $$$j$ dans un état d'énergie $$$m_j \ Delta E$ , c'est-à-dire le transférer vers $$$m_j$ - e niveau d'énergie (à partir de zéro).

Soit la valeur actuelle de la variable $$$x_j$ déterminé à partir de l'équation $$$E_j = m_j \ Delta E \ cdot x_j$ où $$$E_j$ - énergie $$$j$ - allez kudit. Ensuite, toutes les valeurs initiales $$$x_j = 1$ . En train de redistribuer l'énergie entre les valeurs des kudits $$$E_j$ changement qui émule les changements de quantités $$$x_j = E_j / (m_j \ Delta E)$ .

Nous allons maintenant donner au registre la possibilité d'entrer indépendamment dans un état d'équilibre thermodynamique. Dans le processus, les kudits à énergie plus élevée le transfèreront à leurs proches kudits avec une énergie plus faible en multiples de portions. $$$\ Delta E$ . Considérez l'interaction de paire lorsque l'énergie $$$k \ Delta E$ va d'un élément avec de l'énergie $$$E_p$ à l'élément avec de l'énergie $$$E_q$ . Ensuite, les nouvelles valeurs des variables $$$x_p$ et $$$x_q$ sont donnés par les expressions:

$$

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

De toute évidence, pour de telles "transactions" dans la plupart des cas $$$m_p> m_q$ , c'est-à-dire l'énergie initiale $$$p$ - allez kudit plus que $$$q$ - vas-y. Il découle ensuite de (2) que $$$x_p '+ x_q'> x_p + x_q$ , c'est-à-dire que la valeur de la fonction objectif est passée de $$$\ sum_j x_j$ avant $$$\ sum_j x'_j$ . En même temps $$$z'_p = Mx'_p = M \ left (x_p- \ frac {k} {m_p} \ right) = z_p-k \ frac {M} {m_p}$ est entier s'il était entier $$$z_p$ .

Le processus étant adiabatique, l'énergie totale du système ne change pas. Par conséquent

$$

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

d'où il ressort que les nouvelles valeurs $$$x'_j$ satisfaire à la restriction (1).

Une fois l'équilibre thermodynamique établi dans le système (cela arrivera très rapidement), il reste à calculer les valeurs de l'énergie des kudits $$$E_j$ les diviser en $$$m_j \ Delta E$ et multipliez par $$$M$ . Obtenez la solution au problème d'origine $$$z_1, z_2, \ ldots, z_n$ . Notez qu'à chaque étape de l'algorithme numérique $$$z_j = Mx_j$ sont des nombres entiers, c'est-à-dire que le problème de l'optimisation des nombres entiers est résolu. Nous notons également que la solution obtenue sera localement optimale, mais peut-être que dans la pratique cela nous conviendra.

Un exemple réel du problème considéré est le suivant (inventé à la main). Vous devez servir le plus grand nombre de clients dans $$$n$ des articles auxquels chacun devrait être invité $$$z_j$ la personne. Dans le même temps, l'entreprise dispose d'un montant en espèces $$$K$ , qui devraient être dépensés pour cette opération en fonction du budget et du coût de la maintenance d'un client au paragraphe $$$j$ sont égaux $$$m_j$ .

Apparemment, approximativement de cette manière, les ordinateurs D-Wave résolvent une classe très étroite de problèmes d'optimisation, qui, cependant, présentent un intérêt pratique. Par exemple, des artisans de Google utilisant des algorithmes adiabatiques ont appris à D-Wave à reconnaître l'image d'une voiture sur une photo. Et pourtant, les produits de cette entreprise, bien que d'un grand intérêt, sont infiniment loin de tout ordinateur universel, véritablement quantique.

Radar quantique de l'Empire du Milieu

Des informations extrêmement curieuses selon lesquelles la Chine aurait testé avec succès un radar utilisant des paires de photons intriqués, fonctionnant à une distance pouvant atteindre 100 km et capable de rendre la technologie radar inutile - invisibilité sputniknews.com/military/20161004/1045974842/china-quantum-radar-stealth. html Cette ressource médiatique est hautement pro-chinoise et moins pro-russe. Brave un tel agitprop))

Apparemment, la Chine est déjà en train de bluffer et affirme qu'elle maîtrise des technologies complexes et les utilise dans les communications par satellite, ainsi que dans le radar. L'idée d'un tel radar est assez évidente, si vous croyez à la magie quantique. L'un des deux photons EPR enchevêtrés dans la polarisation est pris dans la cavité optique sous la forme d'une onde stationnaire, et le second est allé à la rencontre de la cible (B2 Spirit). Dès qu'il s'est réfléchi depuis la surface de l'objet, immédiatement, en raison de la réfraction partielle, avec une probabilité supérieure à 0,5, il a acquis une polarisation perpendiculaire au plan d'incidence-réflexion. Cela signifie que l'état de polarisation de l'un des deux photons de la paire a changé. Selon l'EPR - le paradigme (alias magie quantique) la polarisation du second photon - ce qui manque dans le résonateur, a également changé. Comme cela ne s'est pas produit avec une paire de photons, mais avec plusieurs, un changement dans la polarisation du champ dans la cavité peut être détecté. Compris, Spirit? Nous allons maintenant assommer votre esprit au nom des idées brillantes de Mao! )))

Il est important de faire attention au fait que la détection de cible ne se produit pas lorsque le photon réfléchi retourne à l'émetteur, mais immédiatement dès qu'il est réfléchi par l'objet. Il est facile de comprendre que cela est totalement contraire à SRT. En fait, laissez un faisceau laser avec des photons pénétrer dans des paires intriquées briller dans une direction fixe. Dès qu'un B2 malheureux est tombé sur un faisceau, au même instant les guerriers PLA ont déterminé l'azimut et l'élévation de la cible. Ils connaissaient ces angles à l'avance lorsqu'ils ont fixé la direction du faisceau, mais l'Américain a annoncé sa rencontre avec le faisceau avant qu'il ne puisse être vu à cet endroit! S'il ne dépasse pas le débit de signal maximal autorisé $$$s = 299 792 458$ m / s, alors quoi?

Adhérents et amateurs de magie quantique, ce fait ne dérange pas. Il est habituel depuis longtemps d'expliquer des effets étranges en disant que les lois de la physique sont écrites dans l'espace classique, et que la physique quantique pénètre bien au-delà, où d'autres règles s'appliquent (quelque chose comme percer un espace courbe avec un trou noir réduit considérablement la distance entre les étoiles). Je ne prétends pas reproduire avec précision des explications philosophiques basées sur la croyance aux miracles quantiques. Mais sur la base de la physique qui a été confirmée par des expériences, cela ne peut pas se produire.

Alors, le radar à photons de fiction est une fiction? Oui et non. Sous la forme que j'ai décrite en plaisantant - certainement OUI. Mais vous pouvez concevoir le mécanisme de fonctionnement de ce radar, qui a une nature purement quantique. Ainsi, aucune paire emmêlée ne se pose. Au lieu de cela, chaque photon est divisé en deux modes, dont l'un reste dans le résonateur, et l'autre est envoyé pour se rencontrer à cet effet (voir la citation de Dirac dans p. Aspe Experience geektimes.ru/post/285378 pour cette raison ). Après le retour du mode réfléchi et l'absorption de l' ensemble du photon par le radar , le champ dans la cavité s'affaiblit. Avec un grand nombre de photons, cela peut être détecté.

Lors de l'évaluation de ces considérations, il est important de comprendre que le photon n'a pas de représentation de Schrödinger. Et cela signifie qu'il n'a pas d'emplacement dans l'espace. Un photon est présent partout où il y a un champ dont il fait partie, grosso modo. A cette occasion, il est utile de lire l'introduction au livre de Dirac "Principes de la mécanique quantique", où il discute des photons. Cela ne prend que quelques minutes, mais cela aide à se débarrasser de l'image intrusive d'un photon - une particule ponctuelle, qui sous-tend la fausse interprétation des expériences d'Aspe.

Ainsi, apparemment, l'emplacement habituel a lieu, mais avec des photons. Il est clair que seule une petite partie d'entre eux revient au radar. Cependant, le mode photon réfléchi sera une onde diffusée, de sorte que la probabilité de son retour à l'endroit du rayonnement n'est pas si faible. Bien entendu, toutes ces considérations heuristiques peuvent être erronées. Cependant, mon explication est basée sur le CM et n'attire pas les entités mystiques telles que les états intriqués de particules infiniment éloignées.

Une chose est claire: les Chinois ont créé un radar à photons qui leur permet de détecter les avions au-delà de la ligne de visée. C'est le succès des technologies optiques et photoniques. Il est possible qu'un tel radar augmente la vulnérabilité des avions furtifs. Mais il est peu probable que la magie quantique soit impliquée, bien que les Chinois eux-mêmes croient sacrément le contraire.



S'inspirant d'un article sur ce sujet wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes , que je ne pouvais pas comprendre sans connaître les abréviations. Ceci n'est clairement pas lié aux photons intriqués. Il ressemble à un emplacement régulier avec des photons.



Sur cette figure, à partir du même article, pour autant qu'on puisse en juger, le principe de fonctionnement du radar Doppler.

Cryptographie et diffusion paramétrique spontanée

Les systèmes de cryptographie quantique existent depuis des décennies, sinon plus. Ils sont constamment mélangés à la magie quantique, mais, apparemment, cela n'a rien à voir avec de tels systèmes. À titre d'exemple, considérons l'algorithme de génération de clé privée BB84 décrit ici en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Cryptography .

Le mécanisme de protection est basé sur le fait que si un attaquant Eva intercepte un peu porté par un photon polarisé, alors elle le mettra dans un état de polarisation, qui peut différer de celui défini par Alice. Lors de la vérification des bits transmis entre Alice et Bob, ce changement de polarisation sera détecté. Un effet quantique est utilisé - la transition d'un photon dans son propre état de polarisation mesurée, mais l'EPR - rien à voir avec l'intrication.

Ainsi, les systèmes actuels de cryptographie quantique jouent le rôle d'un argument important en faveur de la magie quantique, mais en réalité ils ne le sont pas. Quant aux résultats théoriques dans ce domaine, basés sur l'EPR - enchevêtrement, leur faisabilité physique est associée aux mêmes problèmes fondamentaux que la téléportation et l'informatique quantique geektimes.ru/post/285490 .

L'article wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-that-can-detect-american-stealth-planes fournit une image illustrant la diffusion paramétrique spontanée d'un photon comme source hypothétique de paires enchevêtrées pour un radar quantique . On pense qu'au cours de ce processus, un photon traversant un cristal non linéaire se divise spontanément en deux photons enchevêtrés dans la polarisation. Il s'agit d'un effet faible connu depuis la fin des années 60. Le couple résultant est appelé un biphoton; en théorie, il s'avère déroutant.



Diffusion paramétrique spontanée (conversion descendante spontanée)

Mais est-ce que deux photons apparaissent réellement ici, comme le montre la figure, ou serait-il plus correct de parler de deux modes d'un photon à la sortie du cristal? Autrement dit, quelque chose comme la biréfringence? Dans certains articles sur ce sujet, les auteurs écrivent prudemment que la désintégration d'un photon en deux ne doit pas être prise trop littéralement. A en juger par le fait que cet effet est détecté par l'interférence des «photons d'une paire», on peut affirmer avec certitude que la paire ne se produit pas ici. Le fait est que, conformément au CM, un photon ne peut interférer qu'avec lui-même! Dans son livre fondamental P.A.M. Dirac écrit directement que deux photons différents n'interfèrent jamais (voir l'introduction). Cette circonstance, sans doute, n'affectera pas de manière significative la théorie de la diffusion paramétrique spontanée. Cependant, il éliminera un pilier important du mythe des photons intriqués qui le restent après une diffusion sur des distances de dizaines et de centaines de kilomètres (EPR - enchevêtrement). Bien sûr, ce problème nécessite des recherches précises.

Le résultat de trois publications exprimant mon point de vue personnel. La magie quantique n'a aucun fondement théorique, est le produit d'une spéculation arbitraire avec le formalisme de la QM, et, en fait, n'est pas confirmée par des expériences. Les expériences fondamentales d'Aspe ont été interprétées à tort sur la base de l'idée classique que les photons émis dans une cascade ont des valeurs propres de moments et de moments angulaires en même temps (ce qui est impossible en raison de CM et QED). EPR - le paradigme ne s'incarne pas dans de vraies technologies quantiques contrairement à ce qui est habituel de penser sous la pression des journalistes et des scientifiques peu consciencieux. La communauté scientifique manque cruellement d'une évaluation critique de ce paradigme, qui est en fait devenu un dogme.

PS Mes articles ne jettent aucun doute sur la mécanique quantique proprement dite. L'inverse des adeptes de la magie quantique est la preuve de la malhonnêteté mentionnée ci-dessus.