Kryptologia Kwantowa – wprowadzenie

Jest to pierwszy z serii 3 artykułów poświęcony kryptologii kwantowej. Jego zadaniem jest wprowadzenie do tematu kwantów i możliwości wykorzystania zasad mechaniki kwantowej do kryptologii. Pozostałe dwa artykuły będą dotyczyć kryptografii kwantowej i kryptoanalizy kwantowej.

Świat mechaniki klasycznej to ten, którego doświadczamy bezpośrednio na co dzień. Komputer, którym teraz się posługujesz drogi Czytelniku jest oparty na prawach mechaniki klasycznej. Jednym z podstawowych elementów konstrukcyjnych komputera jest tzw. bramka logiczna. Bramka reprezentuje prostą funkcję logiczną i  może ona przyjmować wartości 0 lub 1. Niskie napięcie w bramce (0-0.8V) oznacza 0, a wyższe napięcie (2-5V) oznacza 1. Bez względu na rolę obserwatora czy też pomiar dana bramka logiczna będzie zawsze przyjmować wartość 0 lub 1. W świecie kwantów jest nieco inaczej…

Czym jest ten świat kwantów? Przyjęto uważać, że obiekty kwantowe to te nie mające masy lub mniejsze od atomów. Atomy są obiektami na “pograniczu” fizyki klasycznej i kwantowej. Takie obiekty kwantowe mogą wykazywać kilka charakterystycznych cech, które są przydatne w informatyce kwantowej, a co za tym idzie również i w kryptografii:

  • energia obiektów kwantowych nie zmienia się w sposób ciągły, a skokowo, np. obiekt kwantowy ze stanu 0 przechodzi w stan 1 i pomiędzy nimi nie ma żadnych stanów pośrednich
  • niemożliwe jest dokładne określenie pary wielkości charakteryzujących cząstkę np. pędu i położenia. Jest to tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga. Wynika to z tego, że w świecie kwantów każdy akt obserwacji układu wpływa jednocześnie na układ.
  • ulegają splątaniu kwantowemu. Cząsteczki, które są splątane mogą służyć do przenoszenia informacji w kryptografii kwantowej.
  • obiekty kwantowe mogą znajdować się w superpozycji stanów, czyli mogą zajmować więcej niż jedną pozycję w tym samym czasie lub  jednocześnie mieć różne wielkości energii

Niektóre z powyższych punktów mogą brzmieć nieco absurdalnie, ale świat mechaniki kwantowej często przeczy naszemu codziennemu doświadczeniu. Odnieśmy teraz powyższą wiedzę do informatyki. Podstawową jednostką w informacyjną w informatyce kwantowej jest kubit. Fizycznie takim kubitem może być elektron, którego spin może przyjmować wartość -1/2 (zakłada się, że reprezentuje wartość logiczną 0) lub 1/2 (wartość logiczna 1). Jednakże zgodnie z zasadą superpozycji spin elektronu może być też jednocześnie w stanie 0 i 1. Dzięki temu bramki kwantowe mogą pracować jednocześnie dla każdej wartości. Otrzymuje się olbrzymie przyspieszenie wykonywanych obliczeń.

Inne aspekty mechaniki kwantowej mogą zostać użyte do stworzenia świętego Grala kryptografii, czyli szyfru którego nie da się złamać. O tym w następnym odcinku.


Krypto Polak

Może Ci się również spodoba

3 komentarze

  1. Westen napisał(a):

    Zapowiada się całkiem ciekawa seria. Mam tylko jedno pytanie. Czy laik z mechaniki kwantowej będzie w stanie rozumiec dalszą cześć serii?

  2. kryptopolonia napisał(a):

    Tak, starałem się to robić w formie popularnonaukowej ;-)
    Trzeba tylko jakoś zaakceptować te 4 punkty:

    – energia obiektów kwantowych nie zmienia się w sposób ciągły, a skokowo, np. obiekt kwantowy ze stanu 0 przechodzi w stan 1 i pomiędzy nimi nie ma żadnych stanów pośrednich
    – niemożliwe jest dokładne określenie pary wielkości charakteryzujących cząstkę np. pędu i położenia. Jest to tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga. Wynika to z tego, że w świecie kwantów każdy akt obserwacji układu wpływa jednocześnie na układ.
    – ulegają splątaniu kwantowemu. Cząsteczki, które są splątane mogą służyć do przenoszenia informacji w kryptografii kwantowej.
    – obiekty kwantowe mogą znajdować się w superpozycji stanów, czyli mogą zajmować więcej niż jedną pozycję w tym samym czasie lub jednocześnie mieć różne wielkości energii

  3. U napisał(a):

    1. Nie określiłbym, że “obiekty kwantowe to te nie mające masy lub mniejsze od atomów”. Napisałbym raczej, że obiekty kwantowe to te spełniające prawa mechaniki kwantowej, ponieważ światło spełnia dualizm korpuskularno-falowy, a fotony przecież nie posiadają masy.

    2. “w świecie kwantów każdy akt obserwacji układu wpływa jednocześnie na układ”. Nie jest to prawdą, ponieważ nie każdy akt obserwacji wpływa na układ, tzn. komutator operatora pędu x działający na operator położenia y nie jest równy 0 i w związku z tym akt obserwacji pędu x nie wpływa na położenie pędu y. Natomiast w ww. artykule jest poruszony przypadek obserwowania w tej samej osi np. x.

    3. W podpunkcie 3. autorowi chodziło o teleportacje kwantową?

    4. Prosiłbym autora o rozwinięcie podpunktu 4., bo jakoś nie do końca rozumiem o co chodzi.

    5. “zgodnie z zasadą superpozycji spin elektronu może być też jednocześnie w stanie 0 i 1”. Spin elektronu to 1/2, więc co najwyżej może przyjmować wartości -1/2 i 1/2.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *