Змест[Схаваць][Паказаць]
Квантавыя вылічэнні апрацоўваюць даныя з выкарыстаннем прынцыпаў квантавай механікі. У выніку квантавыя вылічэнні патрабуюць іншага падыходу, чым класічныя вылічэнні. Адным з прыкладаў гэтага адрознення з'яўляецца працэсар, які выкарыстоўваецца ў квантавых кампутарах.
У той час як традыцыйныя кампутары выкарыстоўваюць працэсары на аснове крэмнію, квантавыя кампутары выкарыстоўваюць квантавыя сістэмы, такія як атамы, іёны, фатоны або электроны. Яны выкарыстоўваюць квантавыя функцыі для прадстаўлення бітаў, якія могуць быць створаны ў розных квантавых суперпазіцыях 1 і 0.
Такім чынам, што менавіта азначае тэрмін «квант» у гэтым кантэксце? Гэта значны скачок?
Тэрмін квант паходзіць ад лацінскага слова quantum, што азначае «колькасць». У фізіцы гэта «дыскрэтная колькасць энергіі, прапарцыйная па велічыні частаце выпраменьвання, якое яна прадстаўляе». Дыскрэтнае адносіцца да чагосьці, што не з'яўляецца ні бесперапынным, ні выразным. Квант ставіцца да ўнікальных або значных колькасцяў у гэтым сэнсе.
Што такое квантавыя вылічэнні?
Квантовыя вылічэнні выкарыстоўвае алгебраічныя метады для пабудовы алгарытмаў вылічэнняў, якія часта аднолькавыя або падобныя да тых, што выкарыстоўваюцца ў квантавай фізіцы. Квантавая механіка, у сваю чаргу, адносіцца да асноўнай тэорыі фізікі, якая займаецца тлумачэннем фізічных якасцей прыроды памерамі атамаў і субатамных часціц.
A квантавы кампутар такім чынам, гэта гіпатэтычны кампутар, здольны рэалізаваць такія алгарытмы. У выніку квантавыя камп'ютэры заснаваны на квантавых бітах, таксама вядомых як кубіты, якія могуць быць створаны з аднаго электрона.
Квантавы матэрыял паводзіць сябе ў адпаведнасці з правіламі квантавай механікі, выкарыстоўваючы такія паняцці, як імавернасныя вылічэнні, суперпазіцыя і заблытанасць. Гэтыя ідэі служаць асновай для квантавых алгарытмаў, якія выкарыстоўваюць магчымасці квантавых кампутараў для вырашэння складаных праблем.
У гэтым артыкуле я абмяркую ўсё, што вам трэба ведаць аб квантавай заблытанасці.
Што такое квантавая заблытанасць?
Квантавая заблытанасць ўзнікае, калі дзве сістэмы настолькі цесна звязаныя паміж сабой, што веданне адной дае вам неадкладнае пазнанне аб другой, незалежна ад таго, наколькі яны аддаленыя адзін ад аднаго.
Такія навукоўцы, як Эйнштэйн, былі збітыя з панталыку гэтай з'явай, якую ён назваў «страшным дзеяннем на адлегласці», паколькі яно парушае правіла, што ні адна інфармацыя не можа быць адпраўлена хутчэй, чым хуткасць святла. Дадатковыя эксперыменты з выкарыстаннем фатонаў і электронаў, аднак, пацвердзілі заблытанасць.
Заблытанасць з'яўляецца краевугольным каменем квантавых вылічэнняў. Квантавая заблытанасць у фізіцы адносіцца да вельмі моцнай сувязі паміж квантавымі часціцамі. Гэтая сувязь настолькі моцная, што дзве ці больш квантавых часціц могуць быць няўмольна злучаныя, раздзяляючыся на велізарныя адлегласці.
Каб больш зразумець гэта, разгледзім простае параўнанне, якое не звязана з фізікай або вылічальнай тэхнікай. Падумайце, што было б, калі б кінулі не адну, а дзве манеты. Звычайна тое, ці трапляе адна манета на галоўку ці рэшку, мала ўплывае на вынік другога кідання манеты.
Аднак у выпадку заблытання абедзве часткі злучаныя або заблытаныя, незалежна ад таго, фізічна яны асобныя. У гэтым выпадку, калі адна манета трапляе на галовы, другая манета таксама будзе адлюстроўваць галоўкі, і наадварот.
Разуменне квантавай заблытанасці (з прыкладам)
Квантавая заблытанасць - гэта сапраўды сітуацыя, у якой дзве сістэмы (звычайна электроны або фатоны) настолькі цесна звязаны, што атрыманне інфармацыі аб «стане» адной сістэмы (кірунку спіна электрона, скажам «Уверх») дало б імгненнае веды пра іншай сістэме. «стан» (кірунак спіна другога электрона, скажам «уніз»), незалежна ад таго, наколькі далёка адзін ад аднаго існуюць гэтыя сістэмы.
Фразы «імгненны» і «незалежна ад таго, наколькі яны аддаленыя адзін ад аднаго» маюць значэнне. Гэта з'ява збянтэжыла навукоўцаў, такіх як Эйнштэйн, бо стан не вызначаецца, пакуль яго не вымераць, а перадача інфармацыі пярэчыць правілам класічнай фізікі, што інфармацыя не можа пераносіцца хутчэй, чым хуткасць святла.
Аднак з 1980-х гадоў было даказана, што пры заблытанні выкарыстоўваюцца як фатоны, так і электроны, дзякуючы даследаванням і выпрабаванням, якія пачаліся ў 1980-х.
Можна атрымаць дзве субатамныя часціцы (электроны), каб іх можна было апісаць адной хвалевай функцыяй. Зблытанне можа быць дасягнута адным метадам, дазваляючы бацькоўскай часціцы з нулявымі спінамі распадацца на дзве заблытаныя даччыныя часціцы з роўнымі, але супрацьлеглымі спінамі.
Калі дзве даччыныя часціцы ні з чым не ўзаемадзейнічаюць, іх хвалевыя функцыі застануцца роўнымі і супрацьлеглымі, незалежна ад таго, на якой адлегласці яны вымяраюцца. Навукоўцы з дапамогай тэставання высветлілі, што час зблытання не паўплывала на інфармацыю.
Замест гэтага інфармацыя перадаецца іншай часціцы з хуткасцю, большай за хуткасць святла, толькі калі вымяраецца інфармацыя адной часціцы.
У выніку інфармацыя ідзе такімі тэмпамі. Але ў нас няма кантролю над гэтым - гэтая адсутнасць кантролю абмяжоўвае выкарыстанне квантавай заблытанасці, напрыклад, адпраўку паведамлення або іншай інфармацыі хутчэй, чым хуткасць святла.
Якую ролю адыгрывае заблытанасць у квантавых вылічэннях?
Змена стану заблытанага кубіта імгненна змяняе стан парнага кубіта ў квантавых кампутарах. У выніку заблытанасць паскарае хуткасць апрацоўкі квантавых кампутараў.
Паколькі апрацоўка аднаго кубіта выяўляе інфармацыю аб шматлікіх кубітах, падваенне колькасці кубітаў не абавязкова павялічвае колькасць працэсаў (г.зн. заблытаных кубітаў).
Згодна з даследаваннямі, квантавая заблытанасць неабходная для таго, каб квантавы алгарытм забяспечваў экспанентнае паскарэнне ў параўнанні з класічнымі вылічэннямі.
Прыкладанні заблытанасці ў квантавых вылічэннях
Некалькі прыкладанняў могуць атрымаць выгаду з гэтай адзінай у сваім родзе фізічнай характарыстыкі, якая зменіць наша сучаснасць і будучыню. Квантавае шыфраванне, звышшчыльнае кадаванне, магчыма, перадача хутчэй, чым святло, і нават тэлепартацыя - усё гэта можа быць уключана за кошт заблытанасці.
Квантавыя кампутары валодаюць патэнцыялам для вырашэння праблем з энергаёмістым часам і апрацоўкай у розных галінах прамысловасці, уключаючы фінансы і банкаўскую справу.
Квантавая заблытанасць - гэта з'ява, якое можа дапамагчы такім кампутарам за кошт скарачэння часу і вылічальнай магутнасці, неабходных для апрацоўкі патоку дадзеных паміж іх кубітамі.
1. Квантавая крыптаграфія
У класічнай крыптаграфіі адпраўнік кадуе паведамленне адным ключом, а атрымальнік дэкадуе яго агульным ключом. Аднак існуе небяспека, што трэцяя асоба атрымае веды аб ключах і зможа перахапіць і падарваць крыптаграфію.
Стварэнне бяспечнага канала паміж двума бакамі з'яўляецца краевугольным каменем для непарушнай крыптаграфіі. Гэта можа стаць прычынай заблытанасці. Паколькі дзве сістэмы пераплятаюцца, яны суадносяцца паміж сабой (калі адна змяняецца, змяняецца і другая), і ніякая трэцяя асоба не будзе падзяляць гэтую карэляцыю.
Квантавая крыптаграфія таксама выйграе ад безкланавання, што азначае, што немагчыма стварыць ідэнтычную копію невядомага квантавага стану. У выніку немагчыма паўтарыць дадзеныя, закадаваныя ў квантавым стане.
З непранікальным квантавым размеркаваннем ключоў квантавая крыптаграфія ўжо рэалізавана (QKD). QKD выкарыстоўвае выпадкова палярызаваныя фатоны для перадачы інфармацыі аб ключы. Атрымальнік расшыфроўвае ключ з дапамогай палярызацыйных фільтраў і тэхнікі, якая выкарыстоўваецца для шыфравання паведамлення.
Сакрэтныя даныя па-ранейшаму перадаюцца па стандартных лініях сувязі, але толькі дакладны квантавы ключ можа дэкадаваць паведамленне. Паколькі «чытанне» палярызаваных фатонаў змяняе іх стан, любое праслухоўванне папярэджвае камунікатараў пра ўварванне.
У цяперашні час тэхналогія QKD абмежавана валаконна-аптычным кабелем, які можа даставіць фатон на 100 км, перш чым стане занадта слабым для прыёму. У 2004 годзе ў Аўстрыі адбыўся першы заблытаны банкаўскі пераклад QKD.
Перакананне, што перадача непарушаемай і абароненай ад умяшання камунікацый, якія з'яўляюцца доказна бяспечнымі на аснове фізічных прынцыпаў, мае відавочныя прымяненні ў фінансах, банкаўскай справе, ваеннай, медыцынскай і іншых сектарах. Некалькі прадпрыемстваў цяпер выкарыстоўваюць заблытаны QKD.
2. Квантавая тэлепартацыя
Квантавая тэлепартацыя — гэта таксама метад перадачы квантавай інфармацыі паміж двума бакамі, такімі як фатоны, атамы, электроны і звышправодныя ланцугі. Паводле даследаванняў, тэлепартацыя дазваляе КК працаваць паралельна, выкарыстоўваючы менш электраэнергіі, зніжаючы спажыванне энергіі ў 100-1000 разоў.
Адрозненне паміж квантавай тэлепартацыяй і квантавай крыптаграфіяй заключаецца ў наступным:
- Абмен квантавай тэлепартацыяй Па класічным канале адпраўляецца «квантавая» інфармацыя.
- Абмен квантавай крыптаграфіяй Па квантавым канале адпраўляецца «класічная» інфармацыя.
Энергазабеспячэнне квантавых кампутараў выпрацоўвае цяпло, што з'яўляецца праблемай, улічваючы, што яны павінны працаваць пры такіх нізкіх тэмпературах. Тэлепартацыя можа прывесці да дызайнерскіх рашэнняў, якія паскорыць развіццё квантавых вылічэнняў.
3. Біялагічная сістэма
Чалавечы арганізм, як і ўсе істоты, пастаянна змяняецца з-за ўзаемадзеяння мільёнаў хімічных і біялагічных працэсаў. Да нядаўняга часу лічылася, што яны лінейныя, а «А» вядзе да «В». Тым не менш, квантавая біялогія і біяфізіка выявілі велізарную колькасць кагерэнтнасці ўнутры біялагічных сістэм, прычым QE гуляе ролю.
Спосаб разнастайных субадзінак бялковыя структуры спакаваныя разам распрацаваны, каб забяспечыць устойлівую квантавую заблытанасць і кагерэнтнасць. Квантавая біялогія па-ранейшаму з'яўляецца тэарэтычнай тэмай з рознымі праблемамі без адказу; калі яны будуць вырашаны, прымяненне ў медыцыне стане ўсё больш бачным.
Тэарэтычна квантавыя вылічэнні могуць больш нагадваць прыроду (шляхам імітацыі атамнай сувязі) і квантавыя біялагічныя сістэмы, чым класічныя кампутары.
4. Супершчыльнае кадаванне
Супершчыльнае кадаваньне — гэта метад перадачы двух звычайных бітаў інфармацыі з дапамогай аднаго заблытанага кубіта. Супершчыльны код можа:
- Дазваляе карыстальніку адправіць палову таго, што неабходна для рэканструкцыі класічнага паведамлення датэрмінова, што дазваляе карыстачу мець зносіны з падвойнай хуткасцю, пакуль не скончацца папярэдне дастаўленыя кубіты.
- Прапускная здольнасць двухбаковага квантавага канала ў адным кірунку павялічваецца ўдвая.
- Ператварыце прапускную здольнасць з высокай затрымкай у прапускную здольнасць з нізкай затрымкай, перадаючы палову даных па канале з высокай затрымкай, каб падтрымаць даныя, якія паступаюць па канале з нізкай затрымкай.
Кожнае пакаленне камунікацыі патрабуе большай перадачы даных. Параўнальны прырост у інфармацыі будзе магчымы пры звышшчыльным кадаванні.
заключэнне
Квантавая заблытанасць можа дазволіць нам працаваць з дадзенымі неймавернымі раней спосабамі. Дзякуючы інтэграцыі квантавых вылічэнняў і заблытанасці, мы зможам больш эфектыўна і бяспечна адказаць на пытанні, якія патрабуюць велізарнай колькасці дадзеных.
З даданнем біялагічных і астранамічных прыкладанняў, QE можа быць выкарыстаны для адказу на пытанні, над якімі людзі доўга разважалі: адкуль мы прыйшлі і як усё пачалося?
Чым больш прагрэсу ў тэхналогіях, тым больш прыкладанняў мы знойдзем для яго — ён мае велізарныя перспектывы!
Пакінуць каментар