Magia quântica na vida

Computador adiabático D-Wave

Este artigo conclui uma série de publicações dedicadas a uma análise crítica da magia quântica: geektimes.ru/post/285378 e geektimes.ru/post/285490 . Por alguma razão, esse termo irrita alguns adeptos da nova religião. Mas não a inventei, mas a emprestei de um de seus padres, ou pelo menos dos iniciados, que estava tentando publicar uma revista e escreveu um livro com o nome royallib.com/book/doronin_sergey/kvantovaya_magiya.html . Além disso, o nome da empresa americana MagicQ, envolvida em sistemas de codificação quântica, contém parte do título deste artigo antes do hífen. Aqui, tentei especular sobre as tecnologias existentes no mundo real, que geralmente estão associadas ao entrelaçamento quântico no sentido do paradoxo da EPR.

O que é um algoritmo adiabático?

Sabe-se que computadores quânticos completos que operam com registradores com qubits intrincados ainda não existem. Existem apenas configurações experimentais que podem fazer algo com um número limitado de qubits. Por exemplo, eles dizem que em 2001 a IBM conseguiu decompor o número 15 em dois fatores simples usando o algoritmo Shore, usando 7 qubits. Mas não encontrei as informações de que outros números sucumbiram a este dispositivo. Talvez ele estivesse parecendo mal, mas, para mim, é mais correto chamá-lo não de computador, mas de um experimento físico único.

Vamos primeiro esclarecer o que significa "computador quântico completo". Esse é um dispositivo que implementa a computação quântica paralela (consulte o parágrafo "Computador de Deus" em geektimes.ru/post/285490 ). Caso contrário, falar de um computador quântico significa enganar as pessoas. Com relação ao progresso e às perspectivas das tecnologias quânticas, jornalistas e até muitos cientistas estão envolvidos com muito sucesso nisso. Vale ressaltar que as tecnologias quânticas, de um modo geral, são usadas há 60 anos - desde a criação do primeiro maser e depois do laser. Hoje, existem computadores que usam efeitos quânticos.

Exemplos desse computador são os produtos D-Wave , www.3dnews.ru/822671 . Sabe-se que processadores com registros de 128, 512, 1024 e até 2048 qubits, que o D-Wave apresenta efetivamente, não formam estados emaranhados. Embora se diga que grupos de 8 qubits (e) estão enredados em si mesmos, ainda existe confusão entre os (poucos) qubits individuais. Pouco se sabe sobre a caixa preta, que literalmente é um computador D-Wave.

No entanto, sabe-se que implementa o chamado algoritmos adiabáticos. Eles usam o efeito da redistribuição de energia entre os SQUIDs (“qubits”), durante os quais o registro relaxa para o estado de equilíbrio termodinâmico. Ao mesmo tempo, é possível resolver uma classe muito estreita de problemas relacionados à otimização de números inteiros. No entanto, alega-se que entre eles existe o problema do vendedor ambulante, que é resolvido mais rapidamente do que em qualquer supercomputador. Certamente, impressiona! Obviamente, estamos falando sobre otimização local, isto é, sobre o aprimoramento passo a passo de uma rota arbitrária na classe das rotas que estão bastante próximas a ela. No entanto, do ponto de vista prático, os algoritmos de otimização local, por via de regra, funcionam com eficiência.

O que é um algoritmo adiabático? Vou tentar explicar isso com um exemplo que eu mesmo criei. Talvez os algoritmos no D-Wave funcionem de maneira bastante diferente. Mas não consigo imaginar como usar o processo de redistribuição de energia em um sistema de qubits. Julgue por si mesmo o quão plausível parece. De qualquer forma, como um algoritmo de otimização não deve ser desinteressante. Tecnicamente viável!

Nesse sentido, o termo “qubit” não é adequado, porque é desejável ter mais condições. Existe uma palavra adequada "kudit". Em princípio, esse é o mesmo qubit, só que não tem 2, mas um número arbitrário $$$d$ condições de base. No caso de qubit ( $$$d = 2$ ) adiabaticamente também pode ser considerado, mas ainda suponha que o D-Wave use kudits para alguns $$$d \ geq 2$ . E vamos ainda mais longe, argumentando que superposições dos estados base não são necessárias neste caso. Para implementar o algoritmo adiabático, basta ter elementos de dados, cada um dos quais pode estar em um dos $$$d$ estados de energia (estacionários) e vão de um para outro em interações com elementos próximos o suficiente. O registro consiste em $$$n$ tais "kudits" (nós os chamaremos no futuro).

Você precisa encontrar a função máxima $$$z_1 + z_2 + \ ldots + z_n$ sob condições

$$

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

Odds $$$m_j$ e $$$K$ são números inteiros não negativos. É necessário encontrar uma solução (inteira) para esse problema de otimização. A seguir, é apresentado um exemplo de como isso pode surgir.

Transforme-o introduzindo novas variáveis $$$x_j = z_j / M$ onde $$$M = NOC (m_1, m_2, \ ldots, m_n$ . Marcação $$$Q = K / M$ temos o problema equivalente: encontre o máximo $$$x_1 + x_2 + \ ldots + x_n$ sob condições

$$

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

Assumimos que os níveis de energia são igualmente espaçados em $$$\ Delta E$ . Para executar o algoritmo segue para todos $$$j$ defina o número do capô $$$j$ em um estado de energia $$$m_j \ Delta E$ , ou seja, transfira-o para $$$m_j$ - th nível de energia (começando do zero).

Deixe o valor atual da variável $$$x_j$ determinado a partir da equação $$$E_j = m_j \ Delta E \ cdot x_j$ onde $$$E_j$ - energia $$$j$ - vá kudit. Então todos os valores iniciais $$$x_j = 1$ . No processo de redistribuição de energia entre os valores de kudits $$$E_j$ mudança que emula mudanças nas quantidades $$$x_j = E_j / (m_j \ Delta E)$ .

Agora, forneceremos ao registro a oportunidade de entrar independentemente em um estado de equilíbrio termodinâmico. No processo, kudits de energia mais alta irão transferi-lo para próximo a eles com menos energia em múltiplos de porções. $$$\ Delta E$ . Considere a interação de pares quando a energia $$$k \ Delta E$ vai de um elemento com energia $$$E_p$ para o elemento com energia $$$E_q$ . Então os novos valores das variáveis $$$x_p$ e $$$x_q$ são dados pelas expressões:

$$

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

Obviamente, para essas "transações" na maioria dos casos $$$m_p> m_q$ , ou seja, energia inicial $$$p$ - vá kudit mais do que $$$q$ vá. Daí resulta (2) que $$$x_p '+ x_q'> x_p + x_q$ , ou seja, o valor da função objetivo aumentou de $$$\ sum_j x_j$ antes $$$\ sum_j x'_j$ . Ao mesmo tempo $$$z'_p = Mx'_p = M \ left (x_p- \ frac {k} {m_p} \ right) = z_p-k \ frac {M} {m_p}$ é inteiro se todo foi $$$z_p$ .

Como o processo é adiabático, a energia total do sistema não muda. Portanto,

$$

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

a partir do qual fica claro que os novos valores $$$x'_j$ satisfazer a restrição (1).

Depois que o equilíbrio termodinâmico é estabelecido no sistema (isso acontecerá muito rapidamente), resta calcular os valores da energia dos kudits $$$E_j$ dividi-los em $$$m_j \ Delta E$ e multiplique por $$$M$ . Obtenha a solução para o problema original $$$z_1, z_2, \ ldots, z_n$ . Observe que em cada etapa do algoritmo numérico $$$z_j = Mx_j$ são números inteiros, ou seja, o problema da otimização de números inteiros é resolvido. Também observamos que a solução resultante será localmente ideal, mas talvez na prática isso nos convenha.

Um exemplo real do problema considerado é o seguinte (inventado de antemão). Você precisa atender o maior número de clientes em $$$n$ itens para cada um dos quais devem ser convidados $$$z_j$ a pessoa Ao mesmo tempo, a empresa possui um valor em dinheiro $$$K$ , que deve ser gasto nessa operação de acordo com o orçamento e o custo de manutenção de um cliente no parágrafo $$$j$ são iguais $$$m_j$ .

Aparentemente, aproximadamente dessa maneira os computadores D-Wave resolvem uma classe muito estreita de problemas de otimização, que, no entanto, são de interesse prático. Por exemplo, artesãos do Google que usam algoritmos adiabáticos ensinaram a D-Wave a reconhecer a imagem de um carro em uma fotografia. E, no entanto, os produtos dessa empresa, embora de grande interesse, estão infinitamente distantes de qualquer computador universal, verdadeiramente quântico.

Radar quântico do Reino Médio

Informações extremamente curiosas de que a China supostamente testou com sucesso um radar usando pares de fótons emaranhados, operando a uma distância de até 100 km e capaz de tornar inútil a tecnologia de radar - invisibilidade sputniknews.com/military/20161004/1045974842/china-quantum-radar-stealth. html Esse recurso de mídia é altamente pró-chinês e menos pró-russo. Brave como agitprop))

Aparentemente, a China já está blefando com o poder e a principal razão de dominar tecnologias complicadas e usá-las nas comunicações por satélite, bem como no radar. A idéia de um radar desse tipo é bastante óbvia, se você acredita em magia quântica. Um dos dois EPR - fótons emaranhados na polarização é capturado na cavidade óptica na forma de uma onda estacionária, e o segundo foi para encontrar o alvo (B2 Spirit). Assim que refletiu da superfície do objeto, imediatamente, devido à refração parcial, com uma probabilidade superior a 0,5, adquiriu uma polarização perpendicular ao plano de incidência-reflexão. Isso significa que o estado de polarização de um dos dois fótons do par mudou. De acordo com o EPR - o paradigma (também conhecido como magia quântica), a polarização do segundo fóton - o que está faltando no ressonador também mudou. Como isso aconteceu não com um par de fótons, mas com muitos, pode ser detectada uma alteração na polarização do campo na cavidade. Entendeu, Espírito? Agora vamos nocautear o seu espírito em nome das idéias brilhantes de Mao! )))

É importante prestar atenção ao fato de que a detecção do alvo não ocorre quando o fóton refletido retorna ao transmissor, mas imediatamente assim que é refletido pelo objeto. É fácil entender que isso é totalmente contrário ao SRT. De fato, deixe um raio laser com fótons entrando em pares emaranhados brilhar em uma direção fixa. Assim que o infeliz B2 atravessou uma viga, no mesmo instante os guerreiros do PLA determinaram o azimute e a elevação do alvo. Eles conheciam esses ângulos de antemão quando fixaram a direção da viga, mas o americano anunciou sua reunião com a viga antes que ela pudesse ser vista neste lugar! Se não exceder a taxa máxima de sinal admissível $$$s = 299 792 458$ m / s, então o que?

Adeptos e amantes da magia quântica, esse fato não incomoda. Há muito tempo é costume explicar efeitos estranhos dizendo que as leis da física são escritas no espaço clássico, e a física quântica penetra muito além, onde outras regras se aplicam (algo como perfurar um espaço curvo com um buraco negro reduz drasticamente a distância entre estrelas). Não presumo reproduzir com precisão explicações filosóficas baseadas na crença em milagres quânticos. Mas, com base na física que foi confirmada por experimentos, isso não pode acontecer.

Então, o radar de fótons de ficção é ficção? Sim e não Na forma que eu descrevi brincando - definitivamente SIM. Mas você pode conceber o mecanismo de operação desse radar, que possui uma natureza puramente quântica. Portanto, não há pares emaranhados. Em vez disso, cada fóton é dividido em dois modos, um dos quais permanece no ressonador e o outro é enviado para se encontrar com esse objetivo (veja a citação de Dirac na p. Aspe Experience em geektimes.ru/post/285378 ). Após o retorno do modo refletido e a absorção de todo o fóton pelo radar , o campo na cavidade enfraquece. Com um grande número de fótons, isso pode ser detectado.

Ao avaliar essas considerações, é importante entender que o fóton não tem representação de Schrödinger. E isso significa que ele não tem uma localização no espaço. Um fóton está presente onde quer que exista um campo do qual faz parte, grosso modo. Nesta ocasião, é útil ler a introdução ao livro de Dirac "Princípios da mecânica quântica", onde ele discute fótons. Isso levará apenas alguns minutos, mas ajudará a livrar-se da imagem intrusiva de um fóton - uma partícula pontual, subjacente à falsa interpretação dos experimentos de Aspe.

Assim, aparentemente, a localização usual ocorre, mas com fótons. É claro que apenas uma pequena parte deles retorna ao radar. No entanto, o modo de fóton refletido será uma onda dispersa, portanto a probabilidade de retornar ao local da radiação não é tão pequena. Todas essas considerações heurísticas, é claro, podem estar erradas. No entanto, minha explicação é baseada em CM e não atrai entidades místicas, como estados emaranhados de partículas infinitamente distantes.

Uma coisa é clara: os chineses criaram um radar de fótons que lhes permite detectar aeronaves além da linha de visão. Esse é o sucesso das tecnologias de óptica de onda e fotônica. É possível que esse radar aumente a vulnerabilidade de aeronaves furtivas. Mas é improvável que a magia quântica esteja envolvida, embora os próprios chineses acreditem sagradamente no contrário.



Com base em um artigo sobre este tópico wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-hat-can-detect-american-stealth-planes , que eu não conseguia descobrir sem conhecer as abreviações. Claramente, isso não está relacionado a fótons emaranhados. Parece um local regular com fótons.



Nesta figura, do mesmo artigo, até onde se pode julgar, o princípio de operação do radar Doppler.

Criptografia e espalhamento paramétrico espontâneo

Os sistemas de criptografia quântica existem há décadas, se não mais. Eles estão constantemente misturados com a magia quântica, mas, aparentemente, não tem nada a ver com esses sistemas. Como exemplo, considere o algoritmo de geração de chave privada BB84 descrito aqui en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Cryptography .

O mecanismo de proteção baseia-se no fato de que, se uma invasora Eva interceptar um pouco carregado por um fóton polarizado, ela o colocará em um estado de polarização, que pode diferir do definido por Alice. Durante a verificação dos bits transmitidos entre Alice e Bob, essa alteração na polarização será detectada. Um efeito quântico é usado - a transição de um fóton para seu próprio estado de polarização medida, mas o EPR - nada a ver com o emaranhamento.

Assim, os sistemas atuais de criptografia quântica desempenham o papel de um argumento importante a favor da magia quântica, mas, na realidade, não o são. Quanto aos resultados teóricos nesta área, com base no envolvimento de EPR, sua viabilidade física está associada aos mesmos problemas fundamentais que o teletransporte e a computação quântica geektimes.ru/post/285490 .

O artigo wonderfulengineering.com/the-chinese-have-allegedly-developed-a-quantum-radar-hat-can-detect-american-stealth-planes fornece uma imagem que descreve a dispersão paramétrica espontânea de um fóton como uma fonte hipotética de pares emaranhados para um radar quântico. . Acredita-se que, durante esse processo, um fóton que passa através de um cristal não-linear se espontaneamente se divida em dois fótons emaranhados em polarização. Este é um efeito fraco conhecido do final dos anos 60. O casal resultante é chamado de bifotão; teoricamente, parece confuso.



Espalhamento paramétrico espontâneo (conversão espontânea para baixo)

Mas dois fótons realmente surgem aqui, como mostrado na figura, ou seria mais correto falar de dois modos de um fóton na saída do cristal? Ou seja, sobre algo como birrefringência? Em alguns artigos sobre esse assunto, os autores escrevem com cautela que a decadência de um fóton em dois não deve ser tomada literalmente. A julgar pelo fato de que esse efeito é detectado pela interferência de "fótons de um par", pode-se afirmar com segurança que o par não surge aqui. O fato é que, de acordo com CM, um fóton pode interferir apenas consigo mesmo! Em seu livro fundamental, P.A.M. Dirac escreve diretamente que dois fótons diferentes nunca interferem (veja a introdução). Essa circunstância, presumivelmente, não afetará significativamente a teoria do espalhamento paramétrico espontâneo. No entanto, isso derrubará um pilar importante do mito dos fótons emaranhados que permanece assim após se espalharem por distâncias de dezenas e centenas de quilômetros (EPR - emaranhamento). Obviamente, esse problema precisa de pesquisas precisas.

O resultado de três publicações expressando meu ponto de vista pessoal. A magia quântica não tem fundamentos teóricos, é o produto de especulações arbitrárias com o formalismo da QM e, de fato, não é confirmada por experimentos. Os experimentos fundamentais de Aspe foram erroneamente interpretados com base na idéia clássica de que os fótons emitidos em uma cascata têm valores próprios de momento e momento angular ao mesmo tempo (o que é impossível devido a CM e QED). EPR - o paradigma não está incorporado em tecnologias quânticas reais, contrárias ao que é habitual pensar sob a pressão de jornalistas e cientistas não muito conscientes. A comunidade científica carece de uma avaliação crítica desse paradigma, que na verdade se tornou um dogma.

PS Meus artigos não colocam, de forma alguma, dúvidas sobre a mecânica quântica propriamente dita. O inverso dos adeptos da magia quântica é evidência da desonestidade mencionada acima.