Obsah[Skrýt][Ukázat]
Kvantové výpočty zpracovávají data pomocí principů kvantové mechaniky. Výsledkem je, že kvantové výpočty vyžadují jiný přístup než klasické výpočty. Procesor používaný v kvantových počítačích je jedním příkladem tohoto rozlišení.
Zatímco tradiční počítače využívají procesory na bázi křemíku, kvantové počítače využívají kvantové systémy, jako jsou atomy, ionty, fotony nebo elektrony. Využívají kvantové funkce k reprezentaci bitů, které mohou být vytvořeny v různých kvantových superpozicích 1 a 0.
Takže, co přesně znamená pojem „kvantový“ v tomto kontextu? Je to výrazný skok?
Termín kvantové pochází z latinského slova quantum, což znamená „množství“. Je to ve fyzice „diskrétní množství energie úměrné velikosti frekvence záření, které představuje“. Diskrétní označuje něco, co není ani spojité, ani odlišné. Kvantové se v tomto smyslu týkají jedinečných nebo významných množství.
Co je to kvantové počítání?
Kvantové výpočty používá algebraické metody ke konstrukci algoritmů pro výpočty, které jsou často stejné nebo podobné těm, které se používají v kvantové fyzice. Kvantová mechanika zase odkazuje na základní fyzikální teorii, která se noří do vysvětlení fyzikálních vlastností přírody o velikosti atomů a subatomárních částic.
A kvantový počítač je tedy hypotetický počítač schopný implementovat takové algoritmy. Výsledkem je, že kvantové počítače jsou v zásadě založeny na kvantových bitech, známých také jako qubity, které mohou být vytvořeny z jednoho elektronu.
Kvantový materiál se chová podle pravidel kvantové mechaniky a využívá pojmy jako pravděpodobnostní výpočet, superpozice a zapletení. Tyto myšlenky slouží jako základ pro kvantové algoritmy, které využívají schopnosti kvantových počítačů k řešení komplikovaných problémů.
V tomto článku proberu vše, co potřebujete vědět o kvantovém provázání.
Co je to kvantové provázání?
Kvantové zapletení nastává, když jsou dva systémy tak úzce propojeny, že znalost jednoho vám dává okamžitou znalost druhého, bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe.
Vědci jako Einstein byli zmateni tímto jevem, který nazval „strašidelnou akcí na dálku“, protože porušil pravidlo, že žádná informace nemůže být odeslána rychleji než rychlostí světla. Další experimenty využívající fotony a elektrony však provázanost ověřily.
Zapletení je základním kamenem kvantového počítání. Kvantové zapletení ve fyzice označuje velmi silné spojení mezi kvantovými částicemi. Toto spojení je tak silné, že dvě nebo více kvantových částic mohou být neúprosně spojeny, zatímco jsou odděleny obrovskými vzdálenostmi.
Chcete-li to lépe pochopit, zvažte jednoduché srovnání, které nesouvisí s fyzikou nebo výpočetní technikou. Zvažte, co by se stalo, kdyby se neházela jedna, ale hned dvě mince. Obvykle to, zda jedna mince dopadne na hlavu nebo patu, má malý vliv na výsledek druhého hodu mincí.
V případě zapletení jsou však obě části spojeny nebo zapleteny bez ohledu na to, zda jsou fyzicky odděleny. V tomto případě, pokud jedna mince dopadne na hlavy, druhá mince rovněž zobrazí hlavy a naopak.
Pochopení kvantového zapletení (s příkladem)
Kvantové zapletení je skutečně situace, ve které jsou dva systémy (typicky elektrony nebo fotony) tak úzce propojeny, že získání informace o „stavu“ jednoho systému (směr rotace elektronu, řekněme „nahoru“) by poskytlo okamžitou znalost o stavu druhého systému. „stav“ (směr rotace druhého elektronu, řekněme „dolů“) bez ohledu na to, jak daleko od sebe tyto systémy existují.
Výrazy „okamžité“ a „bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe“ jsou významné. Tento jev zmátl vědce, jako je Einstein, protože stav není definován, dokud není změřen, a přenos informací popírá klasické fyzikální pravidlo, že informace nelze přenášet rychleji, než je rychlost světla.
Od 1980. let 1980. století však bylo prokázáno, že zapletení využívá fotony i elektrony, a to díky výzkumu a testování, které začalo v XNUMX. letech XNUMX. století.
Lze vyrobit dvě subatomární částice (elektrony), takže je lze popsat jedinou vlnovou funkcí. Zapletení lze dosáhnout jedním způsobem tak, že se mateřské částici s nulovými spiny umožní rozpad na dvě zapletené dceřiné částice se stejnými, ale opačnými spiny.
Pokud dvě dceřiné částice s ničím neinteragují, jejich vlnové funkce zůstanou stejné a opačné bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou měřeny. Vědci pomocí testování zjistili, že doba zapletení neměla na informace žádný vliv.
Místo toho jsou informace posílány do druhé částice rychlostí vyšší než rychlost světla pouze tehdy, když je měřena informace jedné částice.
V důsledku toho informace proudí tímto tempem. Ale nemáme nad tím žádnou kontrolu – tento nedostatek kontroly omezuje použití Quantum Entanglement, jako je odesílání zpráv nebo jiných informací rychleji, než je rychlost světla.
Jakou roli hraje zapletení v kvantovém počítání?
Změna stavu zapleteného qubitu okamžitě změní stav spárovaného qubitu v kvantových počítačích. Výsledkem je, že zapletení zrychluje rychlost zpracování kvantových počítačů.
Protože zpracování jednoho qubitu odhaluje informace o mnoha qubitech, zdvojnásobení počtu qubitů nutně nezvýší počet procesů (tj. zapletených qubitů).
Kvantové zapletení je podle studií vyžadováno pro kvantový algoritmus, který poskytuje exponenciální zrychlení oproti klasickým výpočtům.
Aplikace zapletení v kvantových výpočtech
Několik aplikací může těžit z této jedinečné fyzikální vlastnosti, která změní naši současnost i budoucnost. Kvantové šifrování, superhusté kódování, možná rychlejší přenos než světlo a dokonce i teleportace, to vše může být umožněno zapletením.
Kvantové počítače mají potenciál vypořádat se s časově a energeticky náročnými výzvami v různých odvětvích, včetně financí a bankovnictví.
Kvantové zapletení je fenomén, který by takovým počítačům mohl pomoci tím, že sníží množství času a výpočetního výkonu potřebného k tomu, aby zvládly tok dat mezi jejich qubity.
1. Kvantová kryptografie
V klasické kryptografii odesílatel kóduje zprávu jedním klíčem, zatímco příjemce ji dekóduje sdíleným klíčem. Existuje však nebezpečí, že třetí strana získá znalosti o klíčích a bude schopna zachytit a podkopat kryptografii.
Vytvoření bezpečného kanálu mezi oběma stranami je základním kamenem neprolomitelné kryptografie. To může způsobit zapletení. Jak jsou dva systémy propletené, jsou ve vzájemné korelaci (když se změní jeden, změní se i druhý) a žádná třetí strana nebude tuto korelaci sdílet.
Kvantová kryptografie také těží z neklonování, což znamená, že není možné vytvořit identickou repliku neznámého kvantového stavu. V důsledku toho je nemožné replikovat data zakódovaná v kvantovém stavu.
S neproniknutelnou distribucí kvantového klíče již byla realizována kvantová kryptografie (QKD). QKD používá náhodně polarizované fotony ke sdělování informací o klíči. Příjemce dešifruje klíč pomocí polarizačních filtrů a techniky použité k šifrování zprávy.
Tajná data jsou stále přenášena standardními komunikačními linkami, ale pouze přesný kvantový klíč může dekódovat zprávu. Protože „čtení“ polarizovaných fotonů mění jejich stavy, jakékoli odposlechy upozorní komunikátory na narušení.
Technologie QKD je v současnosti omezena kabelem z optických vláken, který může doručit foton na vzdálenost přibližně 100 km, než se stane příliš slabým na to, aby jej přijal. V roce 2004 došlo v Rakousku k prvnímu zamotanému bankovnímu převodu QKD.
Zajištění přenosu nerozbitné a nefalšované komunikace, která je prokazatelně bezpečná na základě fyzických principů, má zjevné uplatnění ve financích, bankovnictví, vojenství, zdravotnictví a dalších sektorech. Několik podniků nyní používá zapletené QKD.
2. Kvantová teleportace
Kvantová teleportace je také metoda přenosu kvantové informace mezi dvěma stranami, jako jsou fotony, atomy, elektrony a supravodivé obvody. Podle výzkumu umožňuje teleportace běžet paralelně QC a zároveň spotřebovávat méně elektřiny, což snižuje spotřebu energie 100 až 1000krát.
Rozdíl mezi kvantovou teleportací a kvantovou kryptografií je následující:
- Výměny kvantové teleportace Klasickým kanálem jsou odesílány „kvantové“ informace.
- Výměny kvantové kryptografie Přes kvantový kanál jsou odesílány „klasické“ informace.
Potřeby energie kvantových počítačů generují teplo, což je výzva vzhledem k tomu, že musí pracovat při tak nízkých teplotách. Teleportace má potenciál vést k návrhovým řešením, která urychlí vývoj kvantových počítačů.
3. Biologický systém
Lidské tělo, stejně jako všechna stvoření, se neustále mění v důsledku interakce milionů chemických a biologických procesů. Donedávna se předpokládalo, že jsou lineární, přičemž „A“ vede k „B“. Kvantová biologie a biofyzika však odhalila obrovské množství koherence uvnitř biologických systémů, přičemž roli hraje QE.
Způsob, jakým různé podjednotky proteinové struktury jsou sbaleny dohromady je vyvinut tak, aby umožňoval trvalé kvantové provázání a soudržnost. Kvantová biologie je stále teoretické téma s různými nezodpovězenými obavami; když budou řešeny, aplikace v medicíně budou stále viditelnější.
Kvantové výpočty se teoreticky mohou lépe podobat přírodě (simulováním atomové vazby) a kvantovým biologickým systémům než klasické počítače.
4. Superdenzní kódování
Superdense kódování je metoda přenosu dvou konvenčních bitů informace pomocí jednoho zapleteného qubitu. Kód, který je superhustý, může:
- Umožňuje uživateli odeslat polovinu toho, co je potřeba k rekonstrukci klasické zprávy s předstihem, což uživateli umožňuje komunikovat dvojnásobnou rychlostí, dokud nedojdou předem dodané qubity.
- Kapacita obousměrného kvantového kanálu v jednom směru je zdvojnásobena.
- Převeďte šířku pásma s vysokou latencí na šířku pásma s nízkou latencí přenosem poloviny dat přes kanál s vysokou latencí, abyste podpořili data přicházející přes kanál s nízkou latencí.
Každá generace komunikace vyžadovala větší přenos dat. Srovnatelný zisk informací bude možný pomocí superhustého kódování.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Kvantové zapletení nám může umožnit pracovat s daty dříve nepředstavitelnými způsoby. Díky integraci kvantového počítání se zapletením budeme schopni efektivněji a bezpečněji zodpovědět problémy, které vyžadují obrovské množství dat.
S přidáním biologických a astronomických aplikací může být QE použito k zodpovězení otázek, o kterých lidé dlouho přemýšleli: odkud jsme přišli a jak to všechno začalo?
Čím více technologie postupuje, tím více aplikací pro ni najdeme – má to obrovský příslib!
Napsat komentář