Indholdsfortegnelse[Skjule][At vise]
Kvanteberegning behandler data ved hjælp af kvantemekaniske principper. Som følge heraf kræver kvanteberegning en anden tilgang end klassisk edb. Processoren, der bruges i kvantecomputere, er et eksempel på denne skelnen.
Mens traditionelle computere anvender siliciumbaserede processorer, bruger kvantecomputere kvantesystemer som atomer, ioner, fotoner eller elektroner. De anvender kvantefunktioner til at repræsentere bits, der kan skabes i forskellige kvantesuperpositioner på 1 og 0.
Så hvad betyder udtrykket "kvante" i denne sammenhæng? Er det et væsentligt spring?
Udtrykket kvante stammer fra det latinske ord kvante, som betyder "mængde". Det er en 'diskret mængde energi, der i størrelsesorden er proportional med frekvensen af den stråling, den repræsenterer' i fysik. Diskret refererer til noget, der hverken er kontinuerligt eller distinkt. Kvante refererer til unikke eller betydelige mængder i denne forstand.
Hvad er kvanteberegning?
Kvanteberegning bruger algebraiske metoder til at konstruere algoritmer til beregninger, som ofte er de samme eller ligner dem, der bruges i kvantefysikken. Kvantemekanik refererer til gengæld til en grundlæggende fysikteori, der dykker ned i forklaringen af naturens fysiske kvaliteter på størrelse med atomer og subatomære partikler.
A kvantecomputer er således en hypotetisk computer, der er i stand til at implementere sådanne algoritmer. Som et resultat er kvantecomputere grundlæggende baseret på kvantebits, også kendt som qubits, som kan være skabt ud fra en enkelt elektron.
Kvantematerialet opfører sig i overensstemmelse med kvantemekaniske regler og gør brug af begreber som sandsynlighedsberegning, superposition og sammenfiltring. Disse ideer tjener som grundlaget for kvantealgoritmer, som bruger kvantecomputeres muligheder til at tackle komplicerede problemer.
I denne artikel vil jeg diskutere alt, hvad du behøver at vide om kvanteforviklinger.
Hvad er kvanteforviklinger?
Kvantesammenfiltring opstår, når to systemer er så tæt forbundet, at kendskab til det ene giver dig umiddelbar viden om det andet, uanset hvor langt fra hinanden de er.
Forskere som Einstein var forbløffede over dette fænomen, som han kaldte "en uhyggelig handling på afstand", da det brød reglen om, at ingen information kan sendes hurtigere end lysets hastighed. Yderligere eksperimenter med fotoner og elektroner bekræftede dog sammenfiltring.
Entanglement er hjørnestenen i kvanteberegning. Kvantesammenfiltring i fysik refererer til en meget stærk forbindelse mellem kvantepartikler. Denne forbindelse er så stærk, at to eller flere kvantepartikler ubønhørligt kan forbindes, mens de er adskilt af enorme afstande.
For yderligere at forstå dette, overvej en simpel sammenligning, der ikke er relateret til fysik eller computing. Overvej, hvad der ville ske, hvis ikke én, men to mønter blev kastet. Om en mønt lander på hoveder eller haler, har normalt kun ringe betydning for resultatet af det andet møntkast.
Men i tilfælde af sammenfiltring er begge dele forbundet eller sammenfiltret, uanset om de er fysisk adskilte. I dette tilfælde, hvis en mønt lander på hoveder, vil den anden mønt ligeledes vise hoveder, og omvendt.
Forstå kvantesammenfiltring (med eksempel)
Kvantesammenfiltring er faktisk en situation, hvor to systemer (typisk elektroner eller fotoner) er så tæt forbundet, at indhentning af information om et systems "tilstand" (retningen af elektronens spin, f.eks. "Op") ville give øjeblikkelig viden om det andet systems "tilstand" (retningen af den anden elektrons spin, siger "Ned") uanset hvor langt fra hinanden disse systemer eksisterer.
Sætningerne "øjeblikkelig" og "uanset hvor langt fra hinanden de er" er vigtige. Dette fænomen har forvirret videnskabsmænd som Einstein, da tilstanden ikke er defineret, før den er målt, og informationstransmission trodser den klassiske fysikregel om, at information ikke kan transporteres hurtigere end lysets hastighed.
Imidlertid har sammenfiltring vist sig at bruge både fotoner og elektroner siden 1980'erne, takket være forskning og test, der begyndte i 1980'erne.
To subatomære partikler (elektroner) kan fremstilles, så de kan beskrives ved en enkelt bølgefunktion. Sammenfiltring kan opnås ved én metode ved at lade en forældrepartikel med nul spin henfalde til to sammenfiltrede datterpartikler med lige store, men modsatte spins.
Hvis to datterpartikler ikke interagerer med noget, vil deres bølgefunktioner forblive ens og modsatrettede, uanset hvor langt fra hinanden de måles. Forskere fastslog via test, at tidspunktet for sammenfiltring ikke havde nogen indflydelse på informationen.
I stedet sendes information til den anden partikel med en hastighed, der er hurtigere end lysets hastighed, kun når en partikels information måles.
Som et resultat flyder information i dette tempo. Men vi har ingen kontrol over det - denne mangel på kontrol begrænser brugen af Quantum Entanglement, såsom at sende en besked eller anden information hurtigere end lysets hastighed.
Hvilken rolle spiller entanglement i kvanteberegning?
Ændring af tilstanden af en sammenfiltret qubit ændrer øjeblikkeligt tilstanden af den parrede qubit i kvantecomputere. Som et resultat accelererer sammenfiltring kvantecomputeres behandlingshastighed.
Fordi behandling af én qubit afslører information om adskillige qubits, øger en fordobling af antallet af qubits ikke nødvendigvis antallet af processer (dvs. de sammenfiltrede qubits).
Kvantesammenfiltring er ifølge undersøgelser påkrævet for at en kvantealgoritme kan levere en eksponentiel fremskyndelse i forhold til klassiske beregninger.
Entanglement-applikationer i kvanteberegning
Adskillige applikationer kan drage fordel af denne enestående fysiske egenskab, som vil ændre vores nutid og fremtid. Kvantekryptering, supertæt kodning, måske hurtigere end lys-transmission og endda teleportering kan alle være aktiveret af sammenfiltring.
Kvantecomputere har potentialet til at tackle tids- og behandlingskraftintensive udfordringer i en række forskellige industrier, herunder finans og bank.
Kvantesammenfiltring er et fænomen, der kan hjælpe sådanne computere ved at reducere mængden af tid og processorkraft, der kræves for at håndtere dataflow mellem deres qubits.
1. Kvantekryptering
I klassisk kryptografi koder afsenderen beskeden med én nøgle, mens modtageren afkoder den med den delte nøgle. Der er dog fare for, at en tredjepart får viden om nøglerne og kan opsnappe og underminere kryptografi.
At skabe en sikker kanal mellem de to parter er hjørnestenen til ubrydelig kryptografi. Sammenfiltring kan forårsage dette. Da de to systemer er sammenfiltret, er de korreleret med hinanden (når det ene ændrer sig, ændrer det andet sig også), og ingen tredjepart vil dele denne korrelation.
Kvantekryptografi har også gavn af ingen kloning, hvilket betyder, at det er umuligt at generere en identisk kopi af en ukendt kvantetilstand. Som et resultat er det umuligt at replikere data kodet i en kvantetilstand.
Med en uigennemtrængelig kvantenøglefordeling er kvantekryptografi allerede blevet realiseret (QKD). QKD bruger tilfældigt polariserede fotoner til at kommunikere information om nøglen. Modtageren dechifrerer nøglen ved hjælp af polariserende filtre og den teknik, der bruges til at kryptere beskeden.
De hemmelige data overføres stadig gennem standardkommunikationslinjer, men kun den nøjagtige kvantenøgle kan afkode beskeden. Fordi "læsning" af de polariserede fotoner ændrer deres tilstande, advarer enhver aflytning kommunikatørerne om indtrængen.
QKD-teknologien er i øjeblikket begrænset af fiberoptisk kabel, som kan levere en foton i omkring 100 km, før den bliver for svag til at modtage. I 2004 fandt den første indviklede QKD-bankoverførsel sted i Østrig.
At sikre, at transmissionen af ubrydelig og manipulationssikker kommunikation, der beviseligt er sikker baseret på fysiske principper, har åbenlyse anvendelser inden for finans, bank, militær, medicinsk og andre sektorer. Flere virksomheder bruger nu entangled QKD.
2. Kvanteteleportering
Kvanteteleportation er også metoden til at transmittere kvanteinformation mellem to parter, såsom fotoner, atomer, elektroner og superledende kredsløb. Ifølge forskning tillader teleportering QC'er at køre parallelt, mens de bruger mindre elektricitet, hvilket sænker strømforbruget med 100 til 1000 gange.
Forskellen mellem kvanteteleportation og kvantekryptografi er som følger:
- Udveksling af kvanteteleportation Over en klassisk kanal sendes "kvante" information.
- Udveksling af kvantekryptografi Over en kvantekanal sendes "klassisk" information.
Kvantecomputeres strømbehov genererer varme, hvilket er en udfordring, da de skal fungere ved så lave temperaturer. Teleportering har potentialet til at føre til designløsninger, der vil accelerere udviklingen af kvantecomputere.
3. Biologisk system
Den menneskelige krop, som alle skabninger, ændrer sig konstant på grund af interaktionen mellem millioner af kemiske og biologiske processer. Indtil for nylig blev de antaget at være lineære, hvor "A" førte til "B." Imidlertid har kvantebiologi og biofysik afsløret en enorm mængde sammenhæng i biologiske systemer, hvor QE spiller en rolle.
Måden de forskellige underenheder af protein strukturer er pakket sammen, er udviklet for at muliggøre vedvarende kvantesammenfiltring og sammenhæng. Kvantebiologi er stadig et teoretisk emne med forskellige ubesvarede bekymringer; når de behandles, vil anvendelser inden for medicin blive mere og mere synlige.
Kvanteberegning kan i teorien bedre ligne naturen (ved at simulere atombinding) og kvantebiologiske systemer end klassiske computere.
4. Superdense kodning
Superdense-kodning er metoden til at transmittere to konventionelle bits af information ved hjælp af en enkelt entangled qubit. Kode, der er super-tæt kan:
- Giver brugeren mulighed for at sende halvdelen af, hvad der er nødvendigt for at rekonstruere en klassisk besked før tid, hvilket giver brugeren mulighed for at kommunikere med dobbelt hastighed, indtil de forudleverede qubits løber tør.
- En tovejs kvantekanals kapacitet i én retning fordobles.
- Konverter båndbredde med høj latens til båndbredde med lav latens ved at sende halvdelen af dataene over kanalen med høj latens for at understøtte de data, der kommer ind over kanalen med lav latens.
Hver generation af kommunikation har krævet mere dataoverførsel. En sammenlignelig gevinst i information vil være mulig med superdense kodning.
Konklusion
Kvantesammenfiltring kan give os mulighed for at arbejde med data på tidligere utænkelige måder. Ved at integrere kvantecomputere med entanglement vil vi være i stand til at besvare spørgsmål, der kræver en massiv mængde data på en mere effektiv og sikker måde.
Med tilføjelsen af biologiske og astronomiske applikationer kan QE måske bruges til at besvare de spørgsmål, som mennesker længe har overvejet: hvor kom vi fra, og hvordan startede det hele?
Jo mere teknologien udvikler sig, jo flere applikationer vil vi finde til det – det lover enormt meget!
Giv en kommentar