Съдържание[Крия][Покажи]
Квантовото изчисление обработва данни, използвайки принципите на квантовата механика. В резултат на това квантовите изчисления изискват различен подход от класическите изчисления. Процесорът, използван в квантовите компютри, е един пример за това разграничение.
Докато традиционните компютри използват процесори, базирани на силиций, квантовите компютри използват квантови системи като атоми, йони, фотони или електрони. Те използват квантови характеристики за представяне на битове, които могат да бъдат създадени в различни квантови суперпозиции от 1 и 0.
И така, какво точно означава терминът „квант“ в този контекст? Значителен скок ли е?
Терминът квант произлиза от латинската дума quantum, което означава „количество“. Това е „дискретно количество енергия, пропорционално по големина на честотата на излъчването, което представлява“ във физиката. Дискретно се отнася до нещо, което не е нито непрекъснато, нито отделно. Квантът се отнася до уникални или значителни количества в този смисъл.
Какво е квантово изчисление?
Квантово изчисление използва алгебрични методи за конструиране на алгоритми за изчисления, които често са еднакви или подобни на тези, използвани в квантовата физика. Квантовата механика от своя страна се отнася до основна теория на физиката, която се потапя в обяснението на физическите качества на природата с размера на атомите и субатомните частици.
A квантов компютър следователно е хипотетичен компютър, способен да изпълнява такива алгоритми. В резултат на това квантовите компютри са фундаментално базирани на квантови битове, известни също като кубити, които могат да бъдат създадени от един електрон.
Квантовият материал се държи според правилата на квантовата механика, използвайки понятия като вероятностно изчисление, суперпозиция и заплитане. Тези идеи служат като основа за квантовите алгоритми, които използват възможностите на квантовите компютри за справяне със сложни проблеми.
В тази статия ще обсъдя всичко, което трябва да знаете за квантовото заплитане.
Какво е квантово заплитане?
Квантовото заплитане възниква, когато две системи са толкова тясно свързани, че знанието за едната ви дава незабавно познание за другата, без значение колко далеч са една от друга.
Учени като Айнщайн бяха озадачени от това явление, което той нарече „призрачно действие от разстояние“, тъй като нарушава правилото, че никаква информация не може да бъде изпратена по-бързо от скоростта на светлината. Допълнителни експерименти, използващи фотони и електрони, обаче, потвърдиха заплитането.
Заплитането е крайъгълният камък на квантовите изчисления. Квантовото заплитане във физиката се отнася до много силна връзка между квантовите частици. Тази връзка е толкова силна, че две или повече квантови частици могат да бъдат неумолимо свързани, докато са разделени на огромни разстояния.
За да разберете по-нататък това, помислете за просто сравнение, което не е свързано с физика или изчисления. Помислете какво би се случило, ако се хвърлят не една, а две монети. Обикновено, дали една монета падне върху глави или опашки, има малко влияние върху резултата от второто хвърляне на монета.
В случай на заплитане обаче и двете части са свързани или заплетени, независимо дали са физически отделени. В този случай, ако една монета попадне върху глави, втората монета също ще покаже глави и обратно.
Разбиране на квантовото заплитане (с пример)
Квантовото заплитане наистина е ситуация, в която две системи (обикновено електрони или фотони) са толкова тясно свързани, че придобиването на информация за „състоянието“ на една система (посоката на въртене на електрона, да речем „Нагоре“) би довело до мигновено познание за другата система. „състояние“ (посоката на въртене на втория електрон, да речем „Надолу“), независимо от това колко далеч съществуват тези системи.
Фразите „мигновено“ и „независимо колко са далеч един от друг“ са важни. Това явление е озадачило учени като Айнщайн, тъй като състоянието не е определено, докато не бъде измерено, а предаването на информация противоречи на правилото на класическата физика, че информацията не може да се пренася по-бързо от скоростта на светлината.
Въпреки това е доказано, че заплитането използва както фотони, така и електрони от 1980-те години на миналия век, благодарение на изследвания и тестове, започнали през 1980-те.
Могат да бъдат произведени две субатомни частици (електрони), така че да могат да бъдат описани с една вълнова функция. Заплитането може да бъде постигнато по един метод, като се позволи на родителска частица с нулеви завъртания да се разпадне на две заплетени дъщерни частици с еднакви, но противоположни завъртания.
Ако две дъщерни частици не взаимодействат с нищо, техните вълнови функции ще останат равни и противоположни, независимо колко далеч един от друг са измерени. Учените установиха чрез тестване, че времето на заплитане не оказва влияние върху информацията.
Вместо това информацията се изпраща до другата частица със скорост, по-висока от скоростта на светлината, само когато се измерва информацията за една частица.
В резултат на това информацията тече с това темпо. Но ние нямаме контрол върху него – тази липса на контрол ограничава използването на квантовото заплитане, като изпращане на съобщение или друга информация по-бързо от скоростта на светлината.
Каква роля играе заплитането в квантовите изчисления?
Промяната на състоянието на заплетен кубит моментално променя състоянието на сдвоения кубит в квантовите компютри. В резултат на това заплитането ускорява скоростта на обработка на квантовите компютри.
Тъй като обработката на един кубит разкрива информация за множество кубити, удвояването на броя на кубитите не увеличава непременно броя на процесите (т.е. заплетените кубити).
Според проучванията квантовото заплитане е необходимо, за да може квантовият алгоритъм да осигури експоненциално ускоряване спрямо класическите изчисления.
Приложения за заплитане в квантовите изчисления
Няколко приложения могат да се възползват от тази единствена по рода си физическа характеристика, която ще промени нашето настояще и бъдеще. Квантовото криптиране, свръхплътното кодиране, може би предаването по-бързо от светлината и дори телепортацията могат да бъдат активирани чрез заплитане.
Квантовите компютри имат потенциала да се справят с предизвикателствата, изискващи време и обработка на енергия в различни индустрии, включително финанси и банкиране.
Квантовото заплитане е явление, което може да помогне на такива компютри чрез намаляване на времето и мощността на обработка, необходими за обработка на потока от данни между техните кубити.
1. Квантова криптография
В класическата криптография подателят кодира съобщението с един ключ, докато получателят го декодира със споделения ключ. Съществува обаче опасност трета страна да получи информация за ключовете и да може да прихване и подкопае криптографията.
Създаването на безопасен канал между двете страни е крайъгълният камък за нечуплива криптография. Заплитането може да причини това. Тъй като двете системи са заплетени, те са свързани помежду си (когато едната се промени, другата също) и никоя трета страна няма да споделя тази корелация.
Квантовата криптография също се възползва от липсата на клониране, което означава, че е невъзможно да се генерира идентична реплика на неизвестно квантово състояние. В резултат на това е невъзможно да се възпроизведат данни, кодирани в квантово състояние.
С непроницаемо квантово разпределение на ключовете квантовата криптография вече е реализирана (QKD). QKD използва произволно поляризирани фотони за предаване на информация за ключа. Получателят дешифрира ключа, използвайки поляризиращи филтри и техниката, използвана за криптиране на съобщението.
Тайните данни все още се прехвърлят чрез стандартни комуникационни линии, но само точният квантов ключ може да декодира съобщението. Тъй като „четенето“ на поляризираните фотони променя техните състояния, всяко подслушване предупреждава комуникаторите за проникването.
Технологията QKD в момента е ограничена от оптичен кабел, който може да достави фотон на около 100 км, преди да стане твърде слаб за приемане. През 2004 г. първият заплетен QKD банков превод се осъществи в Австрия.
Уверете се, че предаването на нечупливи и защитени от несанкциониране комуникации, които са доказуемо защитени въз основа на физически принципи, има очевидни приложения във финансите, банковото дело, военните, медицинските и други сектори. Няколко фирми сега използват заплетени QKD.
2. Квантова телепортация
Квантовата телепортация също е методът за предаване на квантова информация между две страни, като фотони, атоми, електрони и свръхпроводящи вериги. Според изследванията телепортацията позволява на QC да работят паралелно, като същевременно използват по-малко електроенергия, което намалява потреблението на енергия от 100 до 1000 пъти.
Разликата между квантовата телепортация и квантовата криптография е както следва:
- Обмен на квантова телепортация По класически канал се изпраща "квантова" информация.
- Обмен на квантова криптография По квантов канал се изпраща „класическа” информация.
Енергийните нужди на квантовите компютри генерират топлина, което е предизвикателство, като се има предвид, че те трябва да работят при толкова ниски температури. Телепортацията има потенциала да доведе до дизайнерски решения, които ще ускорят развитието на квантовите изчисления.
3. Биологична система
Човешкото тяло, както всички същества, непрекъснато се променя поради взаимодействието на милиони химични и биологични процеси. Доскоро се приемаше, че са линейни, като „A“ води до „B“. Въпреки това, квантовата биология и биофизиката са разкрили огромно количество кохерентност в биологичните системи, като QE играе роля.
Начинът, по който различните субединици на протеинови структури са опаковани заедно е разработен, за да позволи устойчиво квантово заплитане и кохерентност. Квантовата биология все още е теоретична тема с различни опасения без отговор; когато им се обърне внимание, приложенията в медицината ще стават все по-видими.
На теория квантовите изчисления могат по-добре да приличат на природата (чрез симулиране на атомно свързване) и квантовите биологични системи, отколкото на класическите компютри.
4. Свръхплътно кодиране
Свръхплътното кодиране е методът за предаване на два конвенционални бита информация с помощта на един заплетен кубит. Кодът, който е супер плътен, може:
- Позволява на потребителя да изпрати половината от необходимото за реконструиране на класическо съобщение преди време, което позволява на потребителя да комуникира с удвоена скорост, докато предварително доставените кубити се изчерпят.
- Капацитетът на двупосочния квантов канал в една посока се удвоява.
- Преобразувайте честотната лента с висока латентност в честотна лента с ниска латентност, като предавате половината от данните през канала с висока латентност, за да поддържате данните, идващи през канала с ниска латентност.
Всяко поколение комуникация изисква повече трансфер на данни. Съпоставима печалба в информацията ще бъде възможна със свръхплътно кодиране.
Заключение
Квантовото заплитане може да ни позволи да работим с данни по невъобразими досега начини. Чрез интегрирането на квантовите изчисления със заплитането, ние ще можем да отговорим на въпроси, които изискват огромно количество данни по по-ефективен и безопасен начин.
С добавянето на биологични и астрономически приложения, QE може да се използва, за да отговори на въпросите, които хората отдавна са размишлявали: откъде сме дошли и как започна всичко?
Колкото повече технологията напредва, толкова повече приложения ще намерим за нея – тя има огромно обещание!
Оставете коментар