Komputasi kuantum dan kriptologi

Perkembangan teknologi komputer bergerak ke berbagai arah, tidak terbatas pada fenomena fisika klasik, elektronika, optik dan sekarang mekanika kuantum.

Pengenalan dengan masalah kriptologi kuantum dan yang terkait dengannya (tidak hanya dalam publikasi) menunjukkan bahwa ada kekurangan dan celah tertentu dalam deskripsi dan penyajiannya. Mendeskripsikan fenomena fisik tertentu, suatu objek, penulis mengabaikan lingkungannya, bahkan yang terdekat yang memiliki dampak langsung pada objek (seringkali pengaruh yang mengganggu). Ini bukan merupakan cela bagi penulis, hak mereka untuk menyajikan saat mereka menyajikannya. Ini lebih merupakan motif saya untuk bergabung dengan aliran kesadaran umum. Sisi material dari fenomena kuantum memanifestasikan dirinya dalam satu atau lain cara dan mengabaikannya dapat memiliki efek negatif yang signifikan. Apa maksudnya Implementasi material dari komputer kuantum (QC), register, qubit individu - semuanya terbuat dari QC. Pembagian hasil yang diperoleh pengguna melalui jaringan komunikasi dan, terakhir, perlindungan,integritas dan ketersediaan hasil tersebut dari penyusup juga menjadi masalah.

Kriptologi kuantum dan topik terkait

Arah baru fisika - informasi kuantum - muncul di persimpangan mekanika kuantum, optik, teori informasi dan pemrograman, matematika diskrit, fisika laser, spektroskopi dan mencakup pertanyaan tentang sistem komunikasi kuantum, komputasi kuantum, komputer kuantum, teleportasi kuantum dan kriptologi kuantum, masalah dekoherensi dan spektroskopi molekul tunggal dan pusat pengotor.



Bahkan tanpa menyentuh pada kriptologi, fisika kuantum mengandalkan dan menggunakan untuk mendeskripsikan konsep dan fenomenanya seperti sejumlah besar fenomena fisik klasik, yang dalam fisika sekolah (dan mungkin di sekolah menengah) telah "berpacu" atau bahkan melewati hampir setiap konsep (seperti familiar) membutuhkan penjelasan karena penemuan dan pencapaian baru beberapa tahun terakhir, yang secara praktis tidak mungkin dilakukan dalam kerangka artikel. Tapi pemilihan materi ini adalah masalah penulisnya, bukan pembacanya.



Dalam teori kriptologi (kriptografi + analisis kriptografi), beberapa periode (tahapan) perkembangan juga dapat dibedakan. Kriptologi simetris kuno (kunci tunggal, kedua sisi saluran komunikasi menggunakan kunci yang sama); kriptologi asimetris atau dua kunci (pesan dienkripsi dengan kunci publik, dan didekripsi dengan kunci lain - dengan kunci pribadi). Akhirnya,

Tahap selanjutnya dalam pengembangan kriptologi meliputi masa kini dan dimulai dengan realisasi kemungkinan membangun komputer kuantum (QC) dan kriptologi kuantum.



Para ahli dalam kriptologi klasik memahami dan mengakui bahwa komputer semacam itu adalah alat yang ampuh untuk analisis kriptografi sandi, yang dalam hitungan detik akan dapat memecahkan sandi klasik dengan kekuatan apa pun. Tapi mereka melihat sisi (positif) lain dari kemungkinan pembukaan - kemungkinan membangun kriptografi kuantum dengan cipher yang praktis tidak bisa dipecahkan.



Ide kriptografi kuantum lahir hampir bersamaan dengan ide menggunakan objek kuantum untuk komputasi, yaitu, dengan ide membuat komputer kuantum dan sistem komunikasi menggunakan saluran kuantum bersama dengan yang tradisional.

Saluran kuantum dari sistem komunikasi dan elemen-elemennya

Kita sudah hidup di dunia jaringan kuantum yang membentang ribuan kilometer dan keluar ke luar angkasa. Pasar global untuk sistem komunikasi kuantum komersial didominasi oleh tiga perusahaan: Qasky dan QuantumCTek China, serta Swiss ID Quantique (sejak 2001). Mereka memasok hampir seluruh spektrum solusi dan komponen, dari sumber foton tunggal dan detektor, generator bilangan acak kuantum hingga perangkat terintegrasi. Di Rusia, jaringan semacam itu menghubungkan dua kantor Gazprombank pada tahun 2016, yang terletak sekitar 30 kilometer dari satu sama lain. Pada tahun yang sama, RRT meluncurkan satelit QUESS - Quantum Experiments at Space Scale, yang menyediakan distribusi kunci kuantum pada jarak lebih dari 7600 km antara observatorium di Beijing dan Wina.

Skema saluran komunikasi kuantum

Gambar 1. Diagram skema saluran kuantum dan protokol distribusi kunci kuantum



Ide dan implementasi kriptografi kuantum diilustrasikan pada Gambar 1. Pada gambar di sebelah kiri - sisi pengirim pesan, di sebelah kanan - sisi penerima. Elemen penting yang diperlukan dari sistem ini adalah fotomultiplier, yang bertindak sebagai photodetectors, sel Pockel (Pockel), prisma kalsit (Wollaston), dan polarizer. Tentu saja, tanpa elemen lainnya: dioda pemancar cahaya berdasarkan titik kuantum (laser), lensa, kolimator, serat optik, dan fluks foton, sistem tidak dapat dibangun, tetapi elemen-elemen ini terkenal, telah digunakan untuk waktu yang lama dan di banyak sistem dengan tujuan yang sangat berbeda. Saluran kuantum dengan satelit diimplementasikan tanpa serat optik.



Mari kita buat penjelasan untuk masing-masing elemen rangkaian.



Foton adalah partikel elementer, kuantum radiasi elektromagnetik dalam bentuk gelombang elektromagnetik transversal dan pembawa interaksi elektromagnetik. Ini adalah partikel tak bermassa yang dapat berada dalam ruang hampa hanya bergerak dengan kecepatan cahaya. Muatan listrik foton juga nol. Sebuah foton hanya dapat berada dalam dua status spin dengan proyeksi spin pada arah gerak (helisitas) ± 1. Muon adalah kuantum bidang muon. Foton adalah kuantum dari medan elektromagnetik. Dalam fisika, foton dilambangkan dengan huruf γ.



Dioda pemancar cahaya. Pada tahun 2001, Andrew Shields dan rekannya di TREL dan University of Cambridge menciptakan dioda yang mampu memancarkan foton tunggal. Ini memungkinkan untuk mengirimkan foton terpolarisasi dalam jarak jauh. Demonstrasi eksperimental mampu mengirimkan data terenkripsi dengan kecepatan 75 Kbps - sementara lebih dari setengah foton hilang.



Sel Pockels (kadang disebut sel Pockel) adalah kristal yang ditempatkan di antara dua nicol yang bersilangan. Nicoli tidak memancarkan cahaya jika tidak ada medan listrik, dan ketika medan diterapkan, transmisi muncul. Medan luar (garis gaya) dapat tegak lurus terhadap perambatan cahaya (modulator transversal) atau paralel (modulator longitudinal).



Efek Pockels (efek ini dinamai F. Pockels, yang mempelajari fenomena ini pada tahun 1893) adalah fenomena perubahan indeks bias cahaya pada kristal (media optik) saat terkena medan listrik konstan atau bolak-balik. Ini berbeda dari efek Kerr karena ia linier di lapangan, sedangkan efek Kerr adalah kuadrat. Efek Pockels diamati hanya pada kristal yang tidak memiliki pusat simetri: karena linieritas, ketika arah medan berubah, efek harus berubah tanda, yang tidak mungkin terjadi pada benda-benda yang simetris secara terpusat.



Efeknya terlihat jelas pada kristal lithium niobate atau gallium arsenide.

Efek Pockels, seperti efek Kerr, praktis inersia (kecepatan sekitar ^10-10dari). Karena itu, ia menemukan penggunaan aktif dalam pembuatan modulator optik. Implementasi praktis dari efek tersebut dilakukan oleh sel Pockels.



Quantum dot (QD) adalah potongan miniatur material semikonduktor berdiameter 15 nm dan tebal 5 nanometer (nm), yang, ketika arus diterapkan padanya, hanya dapat menangkap sepasang elektron dan lubang.



Ada dua metode utama untuk membuat titik kuantum:

1. epitaxy adalah metode menumbuhkan kristal di permukaan substrat:
   
   
   
   
   • balok molekul dan epitaksi balok;
   • epitaksi fase gas;
2. sintesis dalam koloid, di mana zat dicampur dalam larutan.

Sintesis koloid dapat digunakan untuk mendapatkan kristal nano yang dilapisi dengan lapisan molekul aktif permukaan yang teradsorpsi. Jadi, mereka larut dalam pelarut organik, setelah modifikasi - juga dalam pelarut polar.



Terutama senyawa yang ditanam dari kelompok unsur III (Ga, Al, In) dan V (As, P, Sb) dari tabel periodik - kelompok tersebut ditunjuk sebagai AIII BV (atau A ₃ , B ₅ ). Laser semikonduktor dan transistor gelombang mikro telah dibuat berdasarkan QD tersebut.



Yang menarik adalah titik-titik kuantum fluoresen yang diperoleh dengan sintesis koloid, misalnya, titik-titik kuantum berdasarkan kadmium kalkogenida, bergantung pada ukurannya, berpendar dalam warna berbeda. Fenomena ini akrab dalam praktiknya bahkan untuk anak-anak, karena fenomena ini banyak digunakan di ponsel.



Sifat fisikokimia titik-titik kuantum



Spektrum serapan luas, yang memungkinkan nanokristal menarik dengan warna berbeda dengan satu sumber radiasi. Puncak fluoresensi yang sempit dan simetris (tanpa “ekor” di wilayah merah, seperti pada pewarna organik, lebar setengah puncak fluoresensi adalah 25-40 nm), yang memberikan warna murni: titik 2 nm - biru, 3 nm - hijau, 6 nm - merah.

Kecerahan fluoresensi tinggi (hasil kuantum> 50%). Fotostabilitas tinggi.



Berfungsi saluran komunikasi kuantum (sistem). Foton individu dari dioda pemancar cahaya difokuskan oleh lensa dan melewati kolimator, setelah itu mereka memasuki perangkat polarisasi, di mana mereka terpolarisasi ke jenis yang diperlukan (salah satu dari 4 (|, -, \, /)) menggunakan kunci sandi. Foton bergerak, mempertahankan polarisasi, di sepanjang saluran sistem komunikasi dan di sisi penerima kembali melewati sel Pockels, setelah itu mereka jatuh pada prisma kalsit (Wollaston), yang membagi satu fluks foton menjadi dua, mengarahkan masing-masing ke PMT-nya sendiri. Yang terakhir, menggunakan kunci sandi, membaca informasi, mengubahnya menjadi pesan untuk penerima.

Prasyarat untuk komputasi kuantum

Ide komputasi kuantum diungkapkan pada tahun 1980 oleh Yu. I. Manin [1] dan pada tahun 1982 dalam sebuah artikel oleh R. Feynman [2]. Munculnya mekanika kuantum, di dalam kerangka di mana hasilnya diperoleh, yang tidak dapat dijelaskan oleh mekanika klasik, adalah pendorong bagi pengembangan tidak hanya fisika, tetapi juga sejumlah bidang ilmiah lainnya, termasuk komunikasi kuantum, komputasi, kriptologi.

Untuk kemudahan mendeskripsikan konsep dan fenomena kuantum dalam menghitung dan memanipulasi variabel dengan analogi dengan bit biner digital (digit biner = bit), konsep bit kuantum diperkenalkan - sebuah qubit.



Beberapa model fisik komputasi kuantum juga dinamai: perangkap ion, qubit fotonik, qubit topologis, dll.



Definisi... Qubit adalah informasi terkecil yang disimpan di komputer kuantum. Sesuai dengan hukum mekanika kuantum, qubit dapat secara bersamaan berada dalam dua status eigen, dilambangkan dengan | 0⟩ dan | 1⟩.



Sebuah qubit dapat berupa sistem kuantum dua tingkat, misalnya, partikel kuantum dengan spin ± ½ dalam medan magnet konstan (elektron, inti, foton). Dalam kasus ini, status qubit dapat ditentukan dengan superposisi A | 0⟩ + B | 1⟩, di mana A dan B adalah bilangan kompleks yang memenuhi kondisi | A | ² + | B | ² = 1, yaitu partikel masuk ke salah satu status eigen dengan probabilitas transisi | A | ² dalam 0 dan | B | ² in 1. Teknik komputasi dengan qubit diberikan dengan cukup detail (di sini )



Amplitudo probabilitas dijelaskan dengan rumus: A = cos (½θ); B = -e ^iφ sin⁡ (½θ).

Konstruksi qubit. QC dapat dibuat dengan menggunakan teknologi sirkuit terintegrasi silikon planar nanometer. Dalam hal ini, persyaratan untuk mengisolasi qubit dari derajat kebebasan apa pun yang mengarah ke dekoherensi harus dipenuhi. Jika kita menganggap qubit sebagai spin pada donor dalam semikonduktor, maka spin nuklir dalam matriks mewakili reservoir besar yang dengannya spin donor dapat berinteraksi.



Putaran dalam matriks harus dalam keadaan I = 0. Persyaratan penting ini mengecualikan semua semikonduktor jenis AIII BV untuk sintesis matriks, karena hanya silikon yang merupakan isotop stabil ²⁸Si dengan spin I = 0. Persyaratan lainnya adalah pendinginan dalam, suhu harus sangat rendah sehingga ionisasi donor tidak termasuk. Persyaratan penting dalam hal mempertimbangkan dua atau lebih qubit adalah persyaratan untuk tumpang tindih wilayah fungsi gelombang Schrödinger kuantum.



Donor untuk Si (silikon) dengan spin I = ½ adalah atom tunggal ³¹ P (fosfor). Untuk sistem ²⁸ Si: ³¹ P pada T = 1,5 K dan konsentrasi rendah ³¹ P, waktu relaksasi spin elektron sekitar 1000 detik, dan waktu relaksasi spin inti adalah ³¹P melebihi 10 jam. Perhitungan kuantum dimungkinkan untuk spin nuklir jika dilokalkan pada donor bermuatan positif dalam matriks semikonduktor. Suhunya harus cukup rendah (3-5 milikelvin), di mana ionisasi donor tidak termasuk.



Keadaan foton tidak dapat dibaca (diukur) dua kali. Upaya untuk "mencegat" pesan akan diperhatikan. Saat mengidentifikasi (mengukur) status qubit saat ini {| 0⟩ atau | 1⟩}, status tersebut harus dapat dibedakan secara fisik dan diperkirakan dengan probabilitas. Probabilitas semacam itu secara tidak langsung berfungsi untuk memperkirakan status awal (sebelum pengukuran) qubit. Qubit dapat dilihat sebagai vektor satuan dalam ruang vektor kompleks dua dimensi dengan basis tetap ortogonal {| 0⟩} dan {| 1⟩}. Teori medan kuantum menganggap partikel sebagai osilasi (kuanta) medan. Foton adalah kuantum dari medan elektromagnetik. Muon adalah muonic.



Superposisi keadaan adalah sesuatu seperti daftar semua kemungkinan keadaan objek kuantum (katakanlah foton). Sebelum diukur. Ini bukan gelombang dan bukan partikel, tapi sesuatu yang lain yang memiliki sifat serupa - "riak, wavelet".

Ketika beberapa qubit (register qubit) dipertimbangkan secara bersamaan, perubahan status salah satu qubit menyebabkan perubahan status qubit lainnya. Mereka berubah sesuai dengan yang pertama.



Hubungan ini disebut belitan status, dan himpunan qubit diinterpretasikan sebagai register kuantum terisi dari komputer kuantum. Register ini dapat berada di berbagai negara bagian dan menerapkan pertukaran dan ketergantungan fisik halus antar qubit.



Persyaratan QC



Persyaratan dan ketentuan umum untuk membuat QC solid state juga dirumuskan:

• «» ( );
• (100…1000Å) , , ;
• , (- );
• , () , ;
• , , ∆ = µgB, ∆N = =µNgNB, – , µ, µN – ; gN, g – g – ;
• () ;
• ( ), ;
• - - n- ;
• «» , , , , , CNOT π⁄8. .

Persyaratan untuk pemrosesan informasi kuantum dan transmisinya (pertukaran):



a) Sistem harus memiliki kemampuan untuk secara andal mengubah data yang disimpan dalam bentuk qubit stasioner (komputasi) menjadi qubit jaringan (ditransmisikan) (misalnya, foton) dan sebaliknya.



b) Sistem harus dapat mentransfer qubit jaringan di antara titik akhir dengan benar.

Penciptaan QC dan elemen-elemennya

Komputer kuantum berkembang dengan sangat cepat. QC dibuat berdasarkan beberapa prinsip yang berbeda: NMR - resonansi magnetik nuklir, ESR - resonansi spin elektron, spin nuklir dalam silikon. Partikel yang menghasilkan qubit dapat berupa elektron, inti, foton, yang mampu mengubah keadaan spin.



Komputer kuantum (QC) adalah perangkat solid-state (semikonduktor) yang menggunakan fenomena fisik kuantum dan properti elektronik (nuklir) berputar untuk melakukan komputasi dalam memecahkan masalah.



Ada banyak platform untuk membangun komputer kuantum universal. Namun, setiap pendekatan memiliki kekurangan. Misalnya, qubit superkonduktor memiliki waktu koherensi yang pendek dibandingkan dengan realisasi lainnya, dan atom dingin sulit untuk membangun komputer kuantum yang besar.

Titik-titik kuantum adalah implementasi qubit yang menjanjikan, tetapi juga memiliki banyak masalah. Salah satunya adalah pengukuran qubit kualitatif, yang tidak merusak status kuantum sistem. Dalam konteks ini, elektron tunggal di titik kuantum dianggap sebagai qubit, dan status 0 dan 1 dijelaskan oleh spin elektron.

Komputer kuantum pada putaran nuklir dalam silikon

Pengembang QC memiliki sesuatu untuk dikembangkan dalam aktivitas mereka. Teknologi sirkuit terintegrasi silikon planar skala nano bekerja, persyaratan fungsional terdaftar, batasan dan kondisi sebagian besar ditentukan. Sistem Si: ³¹ P dipelajari secara mendalam sekitar 60 tahun yang lalu dalam percobaan resonansi ganda inti-elektron.





Gambar A - Dua qubit dalam register satu dimensi (dua donor ³¹ P dengan elektron terikat tertanam dalam ²⁸ Si)



Pada konsentrasi rendah ³¹ P dan pada T = 1,5 K, waktu relaksasi spin elektron adalah sekitar 1000 detik, dan waktu relaksasi spin nuklir adalah ³¹ P melebihi 10 jam. Ketika suhu turun menjadi 0,1 K, tidak termasuk ionisasi donor, fungsi gelombang elektron terkonsentrasi pada inti donor, yang mengarah ke interaksi yang sangat halus antara putaran inti dan elektron. Pelat silikon ditempatkan dalam medan magnet konstan Bo≥2T.



Dua qubit dalam register satu dimensi mengandung dua donor ³¹ P dengan elektron terikat tertanam pada ²⁸Si. Mereka dipisahkan dari gerbang logam kontrol di permukaan oleh lapisan SiO ₂ . A - kontrol elektroda (set) frekuensi resonansi dari qubit spin nuklir; Gerbang-J mengontrol interaksi elektron dari spin nuklir tetangga.

Komputer kuantum resonansi spin elektronik

Saat menggunakan ESD, kemurnian isotop matriks silikon tidak kritis. Untuk sejumlah indikator, ESR lebih disukai daripada putaran nuklir, medan magnet 2 T (Tesla) menyediakan frekuensi ESR 56 GHz, dan karena energi Zeeman yang tinggi, putaran elektron memungkinkan operasi hingga frekuensi dalam kisaran gigahertz. Putaran nuklir hanya sampai 75 kHz. Pada T = 1 K, putaran elektron (berbeda dengan inti) sepenuhnya terpolarisasi. Alih-alih silikon, digunakan heterostruktur Si / Ge, yang memungkinkan untuk mengontrol massa efektif elektron donor. Gerbang-J sel tidak diperlukan. Untuk pengukuran (membaca hasil), seseorang tidak dapat menggunakan transistor elektron tunggal, tetapi transistor efek medan biasa pada suhu rendah.





Gambar B - Ilustrasi metode untuk mendeteksi status spin elektron



Seseorang tidak dapat secara langsung mengamati status qubit dan register kuantum. Ketika tegangan diterapkan ke kedua elektron dan gerbang antiparalel (keadaan singlet) belakang (kiri dan kanan) dikaitkan dengan satu dan donor yang sama (D ^- state). Mereka dapat melakukan transisi dalam keadaan baru, yang menghasilkan arus listrik yang diukur dengan perangkat kapasitif (transistor elektron tunggal). Ini memastikan penentuan keadaan spin elektron dan inti donor ³¹ P. Dalam hal ini, prinsip Pauli direalisasikan.





Gambar C - Skema interaksi pertukaran antara dua qubit (operasi dua qubit)



Dengan peningkatan tegangan gerbang, energi ikat berkurang dan jari-jari Bohr donor seperti hidrogen meningkat. Dalam bidang xy, elektron dapat ditarik secara elektrostatis ke salah satu penghalang yang dibentuk oleh lapisan B dengan komposisi Si _0,23 Ge _0,77 . Potensial Coulomb berkurang V = -q / √ (r ² + d ² ), di mana r ² = x ² + y ² adalah kuadrat jarak horizontal dari donor, dan d adalah jarak vertikal dari penghalang ke donor.

Dalam hal ini, energi ikatan Coulomb elektron berkurang dan tumpang tindih fungsi gelombangnya meningkat, memungkinkan operasi dua qubit dilakukan.



Desain ESD dari qubit

Kita akan mempertimbangkan struktur sel register KK untuk dua qubit. Sel bahan ESD dibuat dengan menumbuhkan larutan padat Si / Ge pada basis silikon (kristal), di atasnya 5 lapisan kerja lainnya ditanam secara berurutan.





Gambar E - Struktur sel ESR untuk dua qubit



Kiri (a) - profil energi dari heterostruktur Ge _{1 - x} Si _x ; di sebelah kanan (b) - penampang sel dua qubit. PT - transistor efek medan; <111> - orientasi media.



Lapisan utama adalah T (tuning) "tuning" dan D2-donor tanpa putus pita konduksi, di mana kalkulasi kuantum dilakukan (antara atom 2000 Å). Ketebalan dan komposisi lapisan ditentukan oleh diagram energi (kiri) dan persyaratan untuk aksi gerbang kontrol (di atas lapisan). Lapisan T dan D2 tertutup di antara lapisan penghalang (ketebalannya 200Å), yang melarang elektron bergerak vertikal, berbeda komposisi dan memiliki faktor g yang berbeda: g (T) = 1,563; g (D2) = 1,995 Elektron dari lapisan D2 memainkan peran qubit. Pemutusan pita konduksi sama dengan 20 meV menerapkan larangan dan konservasi elektron donor qubit, baik pembawa maupun informasi kuantum.





Gambar E - Struktur sel ESD untuk dua qubit. Sebutan gambar sebelumnya dipertahankan.



Pertimbangkan pengaruh orientasi substrat silikon kristal. Orientasi substrat, yang dilambangkan dengan simbol [001] (teori kristalografi), menawarkan beberapa keuntungan. energi pita konduksi berubah lebih cepat untuk arah ini; komposisi padat dengan tegangan lebih rendah dapat dipilih pada ketinggian penghalang sekitar 50 meV, yang lebih dari peningkatan 2 kali lipat dibandingkan dengan orientasi [111].



Dengan demikian, lapisan penghalang, sambil mempertahankan probabilitas terowongan yang sama, dapat lebih tipis (miniaturisasi), dan tegangan yang diijinkan jauh lebih tinggi. Penggunaan lapisan dengan parameter yang mengarah ke peningkatan radius Bohr dan, oleh karena itu, untuk peningkatan jarak yang mungkin antara qubit, menyebabkan deposisi epitaxial dari lapisan aktif dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi. Dengan bertambahnya jarak, frekuensi pertukaran antar qubit menurun secara signifikan.



Untuk QC berdasarkan NMR pada atom fosfor dalam silikon, ditemukan solusi untuk masalah yang agak rumit dalam pembuatan qubit - pengaturan yang tepat dari atom donor (hingga 100 Å)





Gambar F - Diagram proses pembuatan register dari sel-sel NMR qubit



Diagram susunan atom fosfor individu dalam silikon telah menjadi nyata berkat kemajuan dalam nanoteknologi. Permukaan wafer silikon (Si [001] 2 × 1) yang dibersihkan dalam kondisi vakum sangat tinggi dipasivasi dengan lapisan tunggal hidrogen. Kemudian, menurut program khusus, dengan bantuan probe mikroskop penerowongan pemindaian, atom hidrogen individu diserap di tempat-tempat tertentu. Setelah itu, uap fosfin dimasukkan ke dalam chamber dengan tekanan 10 ^-8 mm Hg. Seni. Molekul fosfin yang teradsorpsi kemudian berdisosiasi pada suhu 500 ° C, meninggalkan atom fosfor yang terikat pada silikon di tempat adsorpsi. Setelah itu, pertumbuhan berlebih silikon suhu rendah dari struktur yang dihasilkan dilakukan.



Menjadi mungkin untuk membuat komputer yang mampu melakukan komputasi paralel pada tingkat seluruh perangkat komputasi.



Mari kita buat daftar faktor dan fakta yang meningkatkan minat pada QC dan insentif untuk pengembangan praktisnya.



Algoritma telah dibuat untuk komputer kuantum yang memecahkan masalah sulit:

• mencari item (kekerasan) dalam database tidak terstruktur 1996 (LK Grover);
• pemodelan evolusi sistem kuantum, misalnya, reaksi nuklir;
• Masalah Faktorisasi Angka Besar (ZFBCH) 1994 (PW Shor);
• perhitungan logaritma diskrit (DLOG) dalam bidang berhingga, pada kurva elips;
• dan sebagainya.

Sebuah prosedur untuk mengontrol status kuantum (mengoreksi kesalahan kuantum) telah dikembangkan.



Sebuah percobaan yang mengimplementasikan komputasi kuantum untuk algoritma Grover dan lainnya pada QC resonansi magnetik nuklir cair telah dilakukan.



Berdasarkan elemen solid-state, varian struktur CC dibuat:

• berdasarkan titik-titik kuantum (D. Loss, G. Burkard, L. Fedichkin, K. Valiev);
• berdasarkan persimpangan Josephson superkonduktor (DE Averin);
• pada spin inti atom fosfor donor ³¹ P dalam ²⁸ Si (BEKane) murni isotop .
• pada spin elektron dari atom fosfor yang sama dalam heterostruktur epitaxial
• Ge1-x Six (D. DiVincenzo).

Di bawah ini adalah rumus untuk memperkirakan status qubit dan probabilitasnya.

Keadaan kuantum adalah setiap kondisi yang memungkinkan di mana sistem kuantum berada. Keadaan kuantum murni dapat dijelaskan: 1) dalam mekanika gelombang - fungsi gelombang; 2) dalam mekanika matriks - dengan vektor.



Komputer kuantum menjanjikan banyak perubahan di dunia kita. Sesuai dengan sifatnya, mereka sangat cocok dengan perhitungan yang diperlukan untuk membalikkan fungsi satu arah. Untuk kriptografi simetris, ini tidak terlalu buruk. Algoritme Grover menunjukkan bahwa komputer kuantum mempercepat serangan sedemikian rupa sehingga panjang kunci efektif dibelah dua. Artinya, kunci 256-bit sama rumitnya dengan komputer kuantum seperti kunci 128-bit bagi komputer biasa: keduanya aman di masa mendatang.



Untuk kriptografi kunci publik, situasinya lebih mengerikan. Algoritme Shor dengan mudah memecah semua algoritme kunci publik populer berdasarkan faktorisasi dan logaritma diskrit. Menggandakan panjang kunci meningkatkan kesulitan retak delapan kali lipat. Ini tidak cukup untuk fungsi yang stabil (mekanisme koreksi kesalahan pada komputer kuantum dapat dengan mudah menjadi masalah yang tidak dapat diatasi bagi mereka).



Enkripsi kunci publik (terutama digunakan untuk pertukaran kunci)

Kata kuncinya di sini adalah "pertukaran kunci" atau, seperti yang biasa mereka katakan, kesepakatan kunci. Dan enkripsi itu sendiri (AES, "Belalang", "Magma", dll.) Dilakukan pada kunci simetris (tentu saja, dengan perubahan kunci berkala, semua jenis keymeching-b, bahkan mungkin pembuatan untuk setiap paket). Ini hanya tentang kunci enkripsi.



Dalam fisika kuantum (mekanika), ada sejumlah prinsip yang tidak ada dalam fisika klasik tradisional.



Prinsip ketidakpastian Heisenberg, tidak mungkin memperoleh koordinat dan momentum suatu partikel secara bersamaan, tidak mungkin mengukur satu parameter foton tanpa mendistorsi yang lain.

Prinsip pengecualian Pauli menyatakan bahwa dua elektron (atau dua fermion lainnya) tidak dapat memiliki keadaan mekanik kuantum yang sama dalam satu atom atau satu molekul.



Dengan kata lain, tidak ada pasangan elektron dalam atom yang dapat memiliki bilangan kuantum elektron yang sama. Prinsipnya melarang kloning (menyalin) qubit.

Kloning adalah operasi pada sepasang atau lebih qubit, akibatnya keadaan dibuat yang merupakan produk tensor dari keadaan subsistem yang identik.



Teorema tentang pelarangan kloning (penyalinan) adalah pernyataan teori kuantum bahwa mustahil untuk membuat salinan ideal dari keadaan kuantum tak dikenal yang sembarangan dari sebuah partikel. Teorema ini dirumuskan oleh Wutters, Zurek dan Dieck pada tahun 1982 dan telah menjadi sangat penting dalam bidang komputasi kuantum, teori informasi kuantum dan bidang terkait.



Keadaan satu sistem kuantum dapat ditautkan ke keadaan sistem lain. Misalnya, Anda dapat membuat status terjerat dari dua qubit menggunakan transformasi Hadamard satu qubit dan gerbang kuantum dua qubit C-NOT perangkat keras. Hasil dari operasi semacam itu tidak akan berupa kloning, karena status yang dihasilkan tidak dapat dijelaskan dalam bahasa status subsistem (status tidak dapat difaktorkan).





Pertanyaan yang sulit adalah bagaimana menafsirkan hasilnya.



Keuntungan dan kerugian dari komunikasi kuantum dan QC dibandingkan klasik.



Aspek positif menggunakan sistem kuantum.

• QC beroperasi dalam penghitungan bukan dengan angka, tetapi dengan status kuantum;
• dalam fisika tradisional (klasik), status individu partikel digabungkan menggunakan perkalian vektor skalar biasa; dalam hal ini, jumlah yang mungkin dari n partikel membentuk ruang vektor berdimensi 2 ⁿ ;
• () |0⟩ |1⟩ {|0⟩} {|1⟩}. . n ( n ) 2ⁿ. – {|0⟩ |1⟩} ; – {00, 01, 10, 11} . . ;
• m () 2^m . .
• .

Produk tensor negara bagian adalah penyebab paradoks EPR dan sampai batas tertentu merupakan penjelasannya.

Produk Tensor

Pertimbangkan kasus 2 qubit.





Kasus 2 qubit. Ada 4 varian keadaan gabungannya.



4 vektor pada kolom tabel ini adalah dasar dalam jarak dua qubit. Secara formal dijelaskan sebagai berikut. Jika terdapat spasi 1 dan 2 dengan dimensi d1 dan d2 serta basis orthonormal {ei} dan {fj}, maka kita dapat mendefinisikan spasi dengan basis {$$$e_i⨂f_j$}, di mana i berkisar dari 1 hingga d1 dan j berkisar dari 1 hingga d2.



Jika kita memperkenalkan produk skalar di ruang baru menurut hukum

$$$⟨e_i⨂f_j│e_m⨂f_n ⟩=⟨e_i│e_m ⟩⋅⟨f_j│f_n ⟩⟨e_i⨂f_j│e_m⨂f_n ⟩=⟨e_i│e_m ⟩⋅⟨f_j│f_n ⟩$

dan lanjutkan ke vektor lain, maka hasilnya adalah ruang Hilbert, yang disebut produk tensor H1 dan H2 dan dilambangkan $$$_1⨂ _2$... Jelas, dimensinya d1d2.



Tensor produk operator$$$_1 ϵ S(H_1 )$ dan $$$_2 ϵ S(H_2 )$ Apakah operatornya $$$_1⊗_2$ di ruang hampa $$$_1⨂_2$bertindak di bawah hukum ($$$_1⊗ _2 )|e_1⨂e_2 ⟩=( _1│e_1 ⟩ )⨂( _2│e_2 ⟩$). Timbul pertanyaan, apakah ada keadaan di luar angkasa$$$_1⨂_2$dapat didefinisikan sebagai hasil kali tensor dari keadaan milik ruang parsial H1 dan H2?



Jawaban atas pertanyaan ini adalah negatif, dan contoh balasan klasik adalah keadaan dalam jarak dua qubit$$$_1^2 ⨂_2^2$, disebut EPR dengan huruf pertama dari nama belakang para penemunya (Einstein, Podolsky, Rosen):



$$$|ψ_EPR ⟩= 1/√2 (|00⟩+|11⟩)$...



Sangat mudah untuk melihat bahwa keadaan ini tidak dapat direpresentasikan sebagai produk tensor dari keadaan satu partikel:



$$$|ψ_EPR ⟩≠(a_1 |0⟩+b_1 |1⟩)⨂(a_2 |0⟩+b_2 |1⟩)$...

Kriptologi kuantum

Quantum cryptography (QCG) adalah metode keamanan komunikasi berdasarkan prinsip fisika kuantum. Berbeda dengan kriptografi tradisional yang menggunakan metode matematis untuk menjamin kerahasiaan informasi, KKG berfokus pada fenomena fisik, mengingat kasus-kasus di mana informasi ditransfer menggunakan objek mekanika kuantum.



Kriptanalisis kuantum (QCA). Penyebaran dan perkembangan kriptografi kuantum telah menyebabkan munculnya penyeimbang - kriptanalisis kuantum, yang dalam beberapa kasus, menurut teori, memiliki kelebihan dibandingkan biasanya. RSA dan sandi teori bilangan lainnya serta metode kriptografi yang didasarkan pada masalah pemfaktoran bilangan besar, menemukan logaritma diskrit akan kehilangan kekuatannya dengan munculnya QCA kuantum.



Menurut hukum fisika, keadaan kuantum cahaya (foton) tidak dapat dibaca dua kali: setelah aksi pertama pada foton, keadaannya akan berubah dan percobaan kedua akan memberikan hasil yang berbeda. Upaya untuk "mencegat" informasi akan diperhatikan. Oleh karena itu, kriptografi kuantum saat ini dianggap sebagai arah enkripsi yang paling menjanjikan.



Untuk mengatasi masalah ini, khususnya, algoritme kuantum Shor (1994) dikembangkan, yang memungkinkan menemukan dalam waktu terbatas dan dapat diterima semua faktor prima dari bilangan besar atau memecahkan masalah logaritma, dan, sebagai hasilnya, memecahkan cipher RSA dan ECC. Oleh karena itu, membangun sistem kriptanalitik kuantum yang cukup besar adalah berita buruk bagi RSA dan beberapa sistem asimetris lainnya. Anda hanya perlu membuat komputer kuantum yang mampu menjalankan algoritme yang diperlukan.



Pada 2012, komputer kuantum paling canggih mampu memfaktorkan angka 15 (dalam 150 ribu percobaan, jawaban yang benar diperoleh dalam setengah kasus, sesuai dengan algoritme Shor) dan 21.



Perlindungan informasi (pesan) dari akses yang tidak sah dan dari modifikasi dengan Penggunaan objek kuantum disarankan kembali pada tahun 1970 oleh Stephen Wiesner. Bennett S.N. dan J. Brassard 10 tahun kemudian mengusulkan penggunaan objek ini untuk mentransfer kunci enkripsi dalam bentuk protokol distribusi kunci kuantum - BB84 dan kemudian pada tahun 1991 dan 1992 protokol yang ditingkatkan.



Kriptografi kuantum, bersama dengan kelebihan dan kelebihannya, dicirikan oleh batasan dan aspek negatif tertentu. Seperti dalam sistem komunikasi apa pun dalam sistem komunikasi yang menggunakan kriptografi kuantum, ada node dengan perangkat penerima dan pemancar pengguna, saluran komunikasi, sumber energi, dll



. Aspek negatif komunikasi kuantum yang dicatat biasanya adalah sebagai berikut.



Peralatan kompleks harus dipasang di kedua sisi (transmisi dan penerimaan) saluran sistem komunikasi kuantum:

• ketidaksempurnaan sumber foton tunggal (laju pembangkitan rendah);
• sistem kontrol polarisasi foton kurang terlindungi dari interferensi;
• ketidaksempurnaan penerima foton tunggal, detektor sensitif bekerja di samping foton dan partikel lain;
• , ; ;
• 100 ( 100 ) , ( , , );
• ;
• ( $81000).

Untuk mengukur sudut polarisasi foton, Anda perlu tahu persis bagaimana orientasi peralatan di kedua ujung saluran. Kondisi ini membatasi penyebaran kriptografi kuantum ke perangkat seluler.



Seiring waktu, opsi yang dapat diterima ditemukan. Peralatan kompleks hanya dapat dipasang oleh satu pengguna, di salah satu ujung saluran. Pengguna lain menerima sinyal dan hanya memodifikasi status foton, menambahkan informasinya ke status yang diubah. Foton yang diubah dikirim kembali. Peralatan semacam itu sudah bisa muat di perangkat saku.



Berkenaan dengan penetapan orientasi peralatan, diusulkan untuk melakukan pengukuran secara acak, dan daftarnya harus dipublikasikan secara terbuka. Untuk pekerjaan dan dekripsi yang sah, gunakan hanya arah yang cocok dengan pelanggan. Metode ini disebut "distribusi kunci kuantum independen dari kerangka referensi".

Distribusi kunci kuantum

Quantum Key Distribution (QKD) adalah metode transfer kunci yang menggunakan fenomena kuantum untuk memastikan komunikasi yang aman. Metode ini memungkinkan dua pihak, yang terhubung melalui saluran komunikasi terbuka serat optik atau jaringan bebas untuk mengirimkan aliran foton, untuk membuat kunci acak umum, yang hanya diketahui oleh mereka, dan menggunakannya untuk mengenkripsi dan mendekripsi pesan.



Tujuan utama dari protokol distribusi kunci kuantum (QKD) yang diketahui adalah untuk mencocokkan urutan partikel yang ditransmisikan secara acak (foton).

Pada tahun 1935, Einstein dan sekelompok orang yang berpikiran sama, mencoba untuk menantang interpretasi Kopenhagen tentang mekanika kuantum, merumuskan sebuah paradoks, yang kemudian disebut paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (paradoks EPR tidak mendeskripsikan semua status qubit dengan metode tensor).



Di antara kemungkinan QKD, BB84 awal, B92 (Bennett), B91 (Eckert, nama lain untuk EPR), kemudian CW (variabel kontinu), protokol Swiss COW (enkripsi satu arah yang koheren One Way-koheren), Lo05 (dibuat oleh Lo H.-K. Ma K. dan Chen K. 2005), SARG, Status Umpan, DPS (Pergeseran Fase diferensial), dengan status referensi, waktu fase.

Algoritma Charles H. Bennett. Beberapa protokol yang terdaftar dibahas secara rinci di bawah ini.

Protokol kuantum BB84

Contoh 1 . Implementasi distribusi kunci sandi kuantum (protokol BB84), yang menggunakan status ortogonal objek kuantum. Penerima pesan bertindak atas objek (foton), memilih secara acak jenis pengukuran: ia mengubah polarisasi linier foton (|, -), atau diagonal (\, /)



IMPLEMENTASI PROTOKOL KUANTUM BB84





Protokol Lo05 dan E91 . Protokol ini dikembangkan oleh Arthur Eckert pada tahun 1991. Ia juga memiliki nama EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) karena didasarkan pada paradoks Einstein-Podolsky-Rosen. Lo05 adalah protokol distribusi kunci kriptografi kuantum yang dibuat oleh ilmuwan Luo H.-K. Ma K. dan Chen K. Quantum Key Distribution (QKD) memungkinkan dua pengguna, pengirim dan penerima, untuk berkomunikasi dalam keamanan mutlak di hadapan penyusup.



Pada tahun 1991, Bennett menyarankan penggunaan algoritme berikut untuk mendaftarkan perubahan dalam data yang ditransmisikan menggunakan transformasi kuantum:

1. Pengirim dan penerima menyetujui permutasi acak bit dalam string untuk membuat posisi kesalahan acak.
2. k (k , ).
3. . .
4. , , .
5. , , k.

Untuk menentukan apakah masih ada kesalahan yang tidak terdeteksi, penerima dan pengirim mengulangi pemeriksaan pseudo-random, yaitu: penerima dan pengirim secara terbuka mengumumkan pencampuran acak dari posisi setengah bit dalam string mereka; penerima dan pengirim secara terbuka membandingkan paritas (jika string berbeda, paritas tidak boleh cocok dengan probabilitas 1/2); jika ada perbedaan, penerima dan pengirim, menggunakan pencarian biner dan penghapusan bit yang tidak valid.



Jika tidak ada perbedaan, setelah m iterasi penerima dan pengirim menerima jalur yang identik dengan probabilitas kesalahan 2 ^{- m} .



Protokol Kuantum B92Merupakan salah satu protokol pertama untuk distribusi kunci kuantum, yang diusulkan pada tahun 1992. C. Bennett. Oleh karena itu nama B92, yang digunakan protokol ini sekarang. Protokol B92 didasarkan pada prinsip ketidakpastian, tidak seperti protokol seperti E91. Pembawa informasi adalah sistem 2 tingkat yang disebut qubit. Fitur penting dari protokol ini adalah penggunaan dua status kuantum non-ortogonal.





Contoh 2 . Implementasi distribusi kuantum kunci sandi (protokol B92), yang menggunakan status kuantum ortogonal dan non-ortogonal (polarisasi foton).





1. Dalam kasus implementasi EPR, pengirim secara acak memilih dasar untuk mengukur status satu foton dari pasangan berkorelasi EPR, baik linier maupun melingkar.



2. Pada langkah kedua, tindakan pengirim bergantung pada versi protokol.



a) untuk implementasi EPR, memilih urutan acak basis untuk mengukur polarisasi foton;



b) Pengirim memilih urutan acak dari foton terpolarisasi dan mengirimkannya ke penerima.



3. Penerima mengukur polarisasi foton yang datang menggunakan urutan basa acak.



4. Hasil pengukuran penerima (bukan sumber ideal, saluran komunikasi dan detektor menyebabkan hilangnya foton).



5. Penerima memberi tahu pengirim tentang dasar untuk mengukur polarisasi setiap foton yang diterima.



6. Pengirim memberitahu penerima basis mana yang telah dipilih dengan benar oleh penerima.



7. Pengirim dan penerima menyimpan data foton yang diukur dalam polarisasi yang benar dan membuang yang lainnya.



8. Data yang tersisa diinterpretasikan sesuai dengan tabel kode:



9. Pengirim dan penerima memeriksa kunci mereka terhadap paritas subset bit yang dipilih. Bahkan jika satu bit berbeda, maka pemeriksaan seperti itu menunjukkan adanya penyusup yang mendengarkan di saluran tersebut.



10. Sisi membuang salah satu bit dari subset yang dipilih.

Sebagai hasil dari komunikasi menggunakan protokol B92, pengirim dan penerima menerima kunci rahasia bersama 0101101 dan mengungkapkan tidak adanya penyusup dengan probabilitas 1/2.

Protokol Quantum COW

Contoh 3 . Implementasi distribusi kunci sandi kuantum (protokol COW), yang menggunakan enkripsi satu arah yang koheren.



Pengirim mengirimkan "0" dengan probabilitas (1 - f) / 2, "1" dengan probabilitas (1 - f) / 2 dan status kontrol (decoy) dengan probabilitas f.



Penerima mengumumkan bit urutan yang telah diukurnya di garis waktu dan ketika detektor DM2 menyala, ia mengembalikan urutan tersebut ke pengirim.



Pengirim melakukan (Key sifting) - memberi tahu penerima bit mana yang perlu dikecualikan dari kunci mentahnya, karena bit tersebut disebabkan oleh deteksi status kontrol.



Pengirim. Menganalisis pemicu di DM2, ia mengevaluasi pelanggaran koherensi melalui visibilitas V1−0 dan Vd dan menghitung informasi penyusup.



Koreksi kesalahan sedang berlangsung. Memperkuat kerahasiaan kunci yang diayak.



Fakta menarik tentang "membatalkan keruntuhan" dari fungsi gelombang diberikan oleh Korotkov dan Jordan.



Mereka menarik perhatiannya dan melakukan percobaan yang menguji dan diduga mengkonfirmasi teori tersebut. Namun ternyata, satu konfirmasi saja tidak cukup, dan belum ada yang mempublikasikan ide atau aplikasi apapun tentang penggunaan fakta tersebut. Saya tidak bisa tidak menyebutkan ini.

Pembatalan keruntuhan oleh eksperimen (2008) dari kelompok Nadav Katz, yang menegaskan kebenaran teori Korotkov-Jordan (2006) menghindari keruntuhan dengan beberapa pengembalian status qubit.

Secara umum, setiap sistem kuantum berada dalam superposisi dari semua status yang mungkin sampai pengukuran terjadi dan mengasumsikan salah satu status yang mungkin. Setelah pengukuran, sistem akan mengasumsikan keadaan tertentu (runtuh).



Maka, pada tahun 2006, Korotkov dan Jordan menerbitkan artikel berjudul "Menghilangkan fungsi gelombang dengan membatalkan pengukuran kuantum", yang dalam bahasa Rusia dapat diterjemahkan secara kasar sebagai "Membatalkan keruntuhan fungsi gelombang dengan membatalkan pengukuran kuantum." atau arXiv: 0708.0365v1 [Quant-Ph:

Kerentanan kriptoanalitik, serangan, klasifikasi mereka

Para ahli percaya bahwa distribusi kunci kuantum tidak kebal terhadap peretasan, tetapi cukup dapat diakses oleh penyusup. Hal lain adalah bahwa tindakan penyusup dapat dideteksi, dan kuncinya tidak diklaim dan diganti dengan yang lain. Implementasi khusus dari sistem semacam itu memungkinkan serangan yang berhasil dan mencuri kunci yang dihasilkan.



Daftar serangan yang cukup luas dimungkinkan.



Serangan pada peralatan sistem kuantum:

• penggunaan pemecah berkas;
• menggunakan pulsa yang kuat (detektor foto longsoran yang membutakan);
• menggunakan spektrum sumber foton, jika berbeda;
• penggunaan PRNG oleh pelanggar yang mirip dengan pengirim.

Serangan pada keadaan kuanta (foton):

• menggunakan koherensi;
• serangan yang koheren mempertimbangkan taktik estafet;
• serangan yang tidak koheren: interceptor relay; menggunakan kloning foton;
• - serangan gabungan:
  
  
  
  - interaksi dengan qubit individu;
  
  - pengukuran array mereka.

Tiga contoh serangan yang diimplementasikan (dari publikasi di jaringan)

Beam splitter attack pada COW

Diasumsikan bahwa sumber daya penyusup tidak terbatas. Serangan pada protokol distribusi kunci: skema umum untuk mempersiapkan dan mengukur status kuantum, prosedur untuk memperoleh hasil pengukuran status kuantum dari sebuah kunci di sisi pengirim dan penerima. Serangan terhadap implementasi teknis sistem kriptografi kuantum (peretasan kuantum).

• Atenuasi ⇒ µB = 10 - δl / 10µ;
• Beam splitter + saluran komunikasi yang ideal;
• µ max E = µ - µB = (1 - 10 - δl / 10) µ.

Dalam jurnal "Quantum Electronics" edisi Februari (di antara para pendiri - institut fisika terkemuka dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia), dijelaskan sebuah metode - cara membaca pesan yang dikirim melalui jaringan komunikasi kuantum, diimplementasikan menggunakan teknologi Swiss, dan tetap tidak diperhatikan. Seperti yang tertulis dalam artikel, “ide utama serangan ini adalah mengukur secara individual beberapa status yang dicegat dan mengirim sisanya tidak berubah. Penulis telah menghitung nilai optimal dari parameter serangan untuk panjang sembarang saluran komunikasi ”.



Perkembangan Rusia memiliki potensi perlindungan yang lebih besar untuk menciptakan jaringan multi-pengguna karena metode khusus mentransmisikan beberapa saluran melalui satu saluran. Ini memungkinkan Anda untuk secara signifikan meningkatkan kecepatan atau bandwidth saluran kuantum, pengembang yakin.



Contoh lain adalah PNS-attack (Photon number splitting attack) [1], dilakukan oleh fisikawan dari Australia dan Jepang, yang untuk pertama kalinya melakukan pengukuran kuantum non-destruktif sebuah qubit, yang terdiri dari satu elektron dalam satu titik kuantum. Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa keandalan pengukuran semacam itu lebih dari 99,6 persen. Artikel itu diterbitkan di Nature Communications.



Ilmuwan dari Australia dan Jepang, dipimpin oleh Profesor Seigo Tarucha dari RIKEN Science Center, mengusulkan pengukuran qubit di titik kuantum menggunakan elektron lain yang terjerat dengan qubit. Implementasi ini memungkinkan status qubit yang berfungsi dipertahankan untuk waktu yang lama, yang diperlukan, misalnya, untuk implementasi kode koreksi kesalahan.



Untuk menguji pembacaan non-destruktif, fisikawan menempatkan dua elektron di titik kuantum Si / SiGe - salah satu elektron digunakan sebagai qubit yang berfungsi dan yang lainnya sebagai ancilla untuk pengukuran. Para ilmuwan mengendalikan koneksi qubit dengan medan magnet yang dibuat oleh mikromagnet pada sebuah chip.







Diagram implementasi fisik dua qubit, mewakili dua elektron yang ditempatkan ilmuwan di titik-titik kuantum. J. Yoneda, dkk. - Nature Communications 11, 1144 (2020)



Sastra:



D.A. Kronberg, Yu.I. Ozhigov, A.Yu. Chernyavsky. Kriptografi kuantum. - edisi ke-5. - MAKS Press, 2011. - S. 94-100. - 111 hal. Diarsipkan 30 November 2016

Bennett CH, Brassard G. Kriptografi Kuantum: Distribusi Kunci Publik dan Melempar Koin // Prosiding Konferensi Internasional tentang Komputer, Sistem & Pemrosesan Sinyal, Des. 9-12, 1984, Bangalore, India. - IEEE, 1984. - P. 175

Bennett, CH dan Brassard, G., Conf. tentang Komputer, Sistem dan Pemrosesan Sinyal, Bangalore, India, 175-179 (1984).

Bennett CH Quantum Cryptography menggunakan Dua Status Nonortogonal apa pun // Phys. Putaran. Lett. 1992. Vol. 68,

3121. Ekert AK, Hutter B., Palma GM, Peres A. Menguping tentang sistem kriptografi kuantum // Review Fisik A. - 1994. - Vol. 2, No. 50. - P. 1047-1056

Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Dapatkah deskripsi mekanika kuantum dari realitas fisik dianggap lengkap? // Phys. Putaran. A - 1935. - Vol. 47, 777.

Shor PW Scheme untuk mengurangi dekoherensi dalam memori komputer kuantum // Phys. Putaran. A 1995. Vol. 52, 2493.

Algoritme waktu polinomial Shor PW untuk faktorisasi prima dan logaritma diskrit pada komputer kuantum // SIAM J. Sci. Statist.Comput. 1997. Vol. 26, 1484.

Shor PW, Preskill J. Bukti keamanan sederhana dari protokol distribusi kunci kuantum BB84 // Phys. Putaran. Lett. 2000. Vol. 85, 44