Sadržaj[Sakrij][Prikaži]
Kvantno računarstvo obrađuje podatke koristeći principe kvantne mehanike. Kao rezultat toga, kvantno računanje zahtijeva drugačiji pristup od klasičnog računarstva. Procesor koji se koristi u kvantnim računarima je jedan primjer ove razlike.
Dok tradicionalni računari koriste procesore zasnovane na silicijumu, kvantni računari koriste kvantne sisteme poput atoma, jona, fotona ili elektrona. Oni koriste kvantne karakteristike za predstavljanje bitova koji se mogu stvoriti u različitim kvantnim superpozicijama od 1 i 0.
Dakle, šta tačno znači pojam "kvant" u ovom kontekstu? Je li to značajan skok?
Termin kvant potiče od latinske reči quantum, što znači "kvantitet". To je 'diskretna količina energije proporcionalna po veličini frekvenciji zračenja koju predstavlja' u fizici. Diskretno se odnosi na nešto što nije ni kontinuirano ni različito. Kvant se u ovom smislu odnosi na jedinstvene ili značajne količine.
Šta je kvantno računarstvo?
Kvantno računarstvo koristi algebarske metode za konstruisanje algoritama za proračune, koji su često isti ili slični onima koji se koriste u kvantnoj fizici. Kvantna mehanika se zauzvrat odnosi na osnovnu fizičku teoriju koja uranja u objašnjenje fizičkih kvaliteta prirode u veličini atoma i subatomskih čestica.
A kvantni računar je stoga hipotetički kompjuter sposoban da implementira takve algoritme. Kao rezultat toga, kvantni računari su u osnovi zasnovani na kvantnim bitovima, takođe poznatim kao kubiti, koji se mogu stvoriti od jednog elektrona.
Kvantni materijal se ponaša prema pravilima kvantne mehanike, koristeći pojmove kao što su vjerovatnoća izračunavanja, superpozicije i zapletenost. Ove ideje služe kao osnova za kvantne algoritme, koji koriste mogućnosti kvantnih kompjutera za rješavanje komplikovanih problema.
U ovom članku ću raspravljati o svemu što trebate znati o kvantnoj isprepletenosti.
Šta je kvantna zapetljanost?
Kvantna isprepletenost nastaje kada su dva sistema toliko usko povezana da saznanje o jednom daje trenutno znanje o drugom, bez obzira koliko su udaljeni jedan od drugog.
Naučnici poput Ajnštajna bili su zbunjeni ovim fenomenom, koji je nazvao "sablasnom akcijom na daljinu" jer je prekršio pravilo da se nijedna informacija ne može poslati brže od brzine svetlosti. Međutim, dodatni eksperimenti koji su koristili fotone i elektrone potvrdili su isprepletenost.
Preplitanje je kamen temeljac kvantnog računarstva. Kvantna zapetljanost u fizici se odnosi na vrlo jaku vezu između kvantnih čestica. Ova veza je toliko jaka da dvije ili više kvantnih čestica mogu biti neumoljivo povezane dok su razdvojene ogromnim udaljenostima.
Da biste ovo dodatno shvatili, razmotrite jedno jednostavno poređenje koje nije povezano s fizikom ili računarstvom. Zamislite šta bi se dogodilo da se baci ne jedan, već dva novčića. Obično, da li jedan novčić padne na glavu ili rep, malo utiče na ishod drugog bacanja novčića.
Međutim, u slučaju preplitanja, oba dijela su povezana ili isprepletena, bez obzira na to da li su fizički odvojeni. U ovom slučaju, ako jedan novčić padne na glave, drugi novčić će isto tako prikazati glave, i obrnuto.
Razumijevanje kvantne zapetljanosti (s primjerom)
Kvantna zapetljanost je zaista situacija u kojoj su dva sistema (obično elektroni ili fotoni) toliko usko povezana da bi stjecanje informacija o "stanju" jednog sistema (smjer okretanja elektrona, recimo "gore") dovelo do trenutnog saznanja o stanju drugog sistema. “stanje” (smjer okretanja drugog elektrona, recimo “dolje”) bez obzira na to koliko udaljeni ovi sistemi postoje.
Izrazi "trenutni" i "bez obzira na to koliko su udaljeni" su značajni. Ovaj fenomen je zbunio naučnike poput Ajnštajna, jer stanje nije definisano dok se ne izmeri, a prenos informacija prkosi pravilu klasične fizike da se informacije ne mogu prenositi brže od brzine svetlosti.
Međutim, dokazano je da zapletanje koristi i fotone i elektrone od 1980-ih, zahvaljujući istraživanju i testiranju koje je počelo 1980-ih.
Dve subatomske čestice (elektrona) mogu se proizvesti tako da se mogu opisati jednom talasnom funkcijom. Isprepletanje se može postići jednom metodom dozvoljavanjem matičnoj čestici sa nultim spinovima da se raspadne na dvije upletene ćerke čestice sa jednakim, ali suprotnim spinovima.
Ako dvije ćerke čestice ne stupe u interakciju ni sa čim, njihove će valne funkcije ostati jednake i suprotne bez obzira koliko su udaljene jedna od druge. Naučnici su testiranjem utvrdili da vrijeme zapetljanja nije imalo utjecaja na informacije.
Umjesto toga, informacija se šalje drugoj čestici brzinom većom od brzine svjetlosti samo kada se izmjeri informacija jedne čestice.
Kao rezultat, informacije teku ovim tempom. Ali mi nemamo kontrolu nad tim – ovaj nedostatak kontrole ograničava upotrebu kvantne zapetljanosti, kao što je slanje poruke ili druge informacije brže od brzine svjetlosti.
Koju ulogu igra zapletanje u kvantnom računarstvu?
Promena stanja upletenog kubita trenutno menja stanje uparenog kubita u kvantnim računarima. Kao rezultat toga, preplitanje ubrzava brzinu obrade kvantnih računara.
Budući da obrada jednog kubita otkriva informacije o brojnim kubitima, udvostručenje broja kubita ne mora nužno povećati broj procesa (tj. isprepletenih kubita).
Prema studijama, kvantna zapetljanost je potrebna da bi kvantni algoritam pružio eksponencijalno ubrzanje u odnosu na klasične proračune.
Primene preplitanja u kvantnom računarstvu
Nekoliko aplikacija može imati koristi od ove jedinstvene fizičke karakteristike, koja će promijeniti našu sadašnjost i budućnost. Kvantna enkripcija, supergusto kodiranje, možda prijenos brži od svjetlosti, pa čak i teleportacija bi mogli biti omogućeni zapletom.
Kvantni računari imaju potencijal da se izbore sa izazovima koji zahtevaju vreme i obradu energije u različitim industrijama, uključujući finansije i bankarstvo.
Kvantna zapetljanost je fenomen koji bi mogao pomoći takvim kompjuterima smanjenjem količine vremena i procesorske snage potrebne za rukovanje protokom podataka između njihovih kubita.
1. Kvantna kriptografija
U klasičnoj kriptografiji pošiljalac kodira poruku jednim ključem, dok je primalac dekodira zajedničkim ključem. Međutim, postoji opasnost da će treća strana dobiti saznanje o ključevima i biti u stanju presresti i potkopati kriptografiju.
Stvaranje sigurnog kanala između dvije strane je kamen temeljac neraskidive kriptografije. Zaplitanje može uzrokovati ovo. Kako su dva sistema isprepletena, oni su međusobno povezani (kada se jedan promijeni, mijenja se i drugi), i nijedna treća strana neće dijeliti ovu korelaciju.
Kvantna kriptografija također ima koristi od nekloniranja, što znači da je nemoguće generirati identičnu repliku nepoznatog kvantnog stanja. Kao rezultat toga, nemoguće je replicirati podatke kodirane u kvantnom stanju.
Sa neprobojnom distribucijom kvantne ključeve, kvantna kriptografija je već realizovana (QKD). QKD koristi nasumično polarizovane fotone za prenošenje informacija o ključu. Primalac dešifruje ključ koristeći polarizacione filtere i tehniku koja se koristi za šifrovanje poruke.
Tajni podaci se i dalje prenose putem standardnih komunikacijskih linija, ali samo tačan kvantni ključ može dekodirati poruku. Budući da "čitanje" polariziranih fotona mijenja njihova stanja, svako prisluškivanje upozorava komunikatore na upad.
QKD tehnologija je trenutno ograničena optičkim kablom, koji može isporučiti foton na oko 100 km prije nego što postane preslab za prijem. 2004. godine u Austriji se dogodio prvi zamršeni bankovni transfer QKD.
Osiguravanje prijenosa neraskidivih komunikacija zaštićenih od neovlaštenih radnji koje su dokazano sigurne na osnovu fizičkih principa ima očigledne primjene u finansijama, bankarstvu, vojnom, medicinskom i drugim sektorima. Nekoliko preduzeća sada koristi zapleteni QKD.
2. Kvantna teleportacija
Kvantna teleportacija je također metoda prijenosa kvantnih informacija između dvije strane, kao što su fotoni, atomi, elektroni i supravodljivi krugovi. Prema istraživanju, teleportacija omogućava da QC rade paralelno uz korištenje manje električne energije, smanjujući potrošnju energije za 100 do 1000 puta.
Razlika između kvantne teleportacije i kvantne kriptografije je sljedeća:
- Razmjena kvantne teleportacije Preko klasičnog kanala, šalju se „kvantne“ informacije.
- Razmjena kvantne kriptografije Preko kvantnog kanala šalju se “klasične” informacije.
Potrebe za energijom kvantnih računara stvaraju toplotu, što je izazov s obzirom da moraju da rade na tako niskim temperaturama. Teleportacija ima potencijal da dovede do dizajnerskih rješenja koja će ubrzati razvoj kvantnog računarstva.
3. Biološki sistem
Ljudsko tijelo, kao i sva stvorenja, neprestano se mijenja zbog interakcije miliona hemijskih i bioloških procesa. Donedavno se pretpostavljalo da su linearni, a "A" vodi do "B". Međutim, kvantna biologija i biofizika otkrile su ogromnu količinu koherentnosti unutar bioloških sistema, pri čemu je QE igrao ulogu.
Način na različite podjedinice proteinske strukture su pakirani zajedno razvijen je kako bi omogućio trajno kvantno zapletanje i koherentnost. Kvantna biologija je još uvijek teorijska tema s raznim neodgovorenim pitanjima; kada budu riješeni, primjene u medicini će postati sve vidljivije.
Kvantno računarstvo, u teoriji, može više da liči na prirodu (simulacijom atomske veze) i kvantne biološke sisteme od klasičnih kompjutera.
4. Superdense Coding
Supergusto kodiranje je metoda prijenosa dva konvencionalna bita informacija korištenjem jednog zapletenog kubita. Kod koji je super gust može:
- Omogućava korisniku da pošalje polovinu onoga što je potrebno za rekonstrukciju klasične poruke prije vremena, omogućavajući korisniku da komunicira dvostrukom brzinom dok ne ponestane unaprijed dostavljenih kubita.
- Kapacitet dvosmjernog kvantnog kanala u jednom smjeru je udvostručen.
- Pretvorite propusni opseg velike latencije u propusni opseg sa niskim kašnjenjem tako što ćete polovinu podataka prenijeti preko kanala velike latencije kako biste podržali podatke koji dolaze preko kanala niske latencije.
Svaka generacija komunikacije zahtijevala je više prijenosa podataka. Uporedivi dobitak u informacijama bit će moguć sa supergustim kodiranjem.
zaključak
Kvantna isprepletenost može nam omogućiti da radimo s podacima na dosad nezamislive načine. Integracijom kvantnog računarstva sa zapletom, moći ćemo da odgovorimo na pitanja koja zahtevaju ogromnu količinu podataka na efikasniji i sigurniji način.
Uz dodatak bioloških i astronomskih aplikacija, QE bi se mogao koristiti da odgovori na pitanja o kojima su ljudi dugo razmišljali: odakle smo došli i kako je sve počelo?
Što više tehnologija bude napredovala, to ćemo više aplikacija naći za nju – ona ima ogromno obećanje!
Ostavite odgovor