Πίνακας περιεχομένων[Κρύβω][Προβολή]
Ο κβαντικός υπολογισμός επεξεργάζεται δεδομένα χρησιμοποιώντας αρχές κβαντικής μηχανικής. Ως αποτέλεσμα, ο κβαντικός υπολογισμός απαιτεί διαφορετική προσέγγιση από τον κλασσικό υπολογισμό. Ο επεξεργαστής που χρησιμοποιείται στους κβαντικούς υπολογιστές είναι ένα παράδειγμα αυτής της διάκρισης.
Ενώ οι παραδοσιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν επεξεργαστές με βάση το πυρίτιο, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά συστήματα όπως άτομα, ιόντα, φωτόνια ή ηλεκτρόνια. Χρησιμοποιούν κβαντικά χαρακτηριστικά για να αναπαραστήσουν bits που μπορούν να δημιουργηθούν σε διάφορες κβαντικές υπερθέσεις του 1 και του 0.
Λοιπόν, τι ακριβώς σημαίνει ο όρος «κβαντικό» σε αυτό το πλαίσιο; Είναι ένα σημαντικό άλμα;
Ο όρος quantum προέρχεται από τη λατινική λέξη quantum, που σημαίνει «ποσότητα». Είναι μια «διακεκριμένη ποσότητα ενέργειας ανάλογη σε μέγεθος με τη συχνότητα της ακτινοβολίας που αντιπροσωπεύει» στη φυσική. Το διακριτικό αναφέρεται σε κάτι που δεν είναι ούτε συνεχές ούτε διακριτό. Το Quantum αναφέρεται σε μοναδικά ή σημαντικά ποσά με αυτή την έννοια.
Τι είναι ο κβαντικός υπολογισμός;
Κβαντική υπολογιστική χρησιμοποιεί αλγεβρικές μεθόδους για την κατασκευή αλγορίθμων για υπολογισμούς, οι οποίοι είναι συχνά ίδιοι ή παρόμοιοι με αυτούς που χρησιμοποιούνται στην κβαντική φυσική. Η κβαντομηχανική, με τη σειρά της, αναφέρεται σε μια βασική θεωρία της φυσικής που βυθίζεται στην εξήγηση των φυσικών ιδιοτήτων της φύσης στο μέγεθος των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων.
A κβαντικός υπολογιστής είναι έτσι ένας υποθετικός υπολογιστής ικανός να εφαρμόσει τέτοιους αλγόριθμους. Ως αποτέλεσμα, οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται βασικά σε κβαντικά bit, γνωστά και ως qubits, τα οποία μπορούν να δημιουργηθούν από ένα μόνο ηλεκτρόνιο.
Το κβαντικό υλικό συμπεριφέρεται σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, χρησιμοποιώντας έννοιες όπως πιθανολογικός υπολογισμός, υπέρθεση και μπλέξιμο. Αυτές οι ιδέες χρησιμεύουν ως βάση για τους κβαντικούς αλγόριθμους, οι οποίοι χρησιμοποιούν τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών για την αντιμετώπιση περίπλοκων προβλημάτων.
Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσω όλα όσα χρειάζεται να γνωρίζετε για την κβαντική εμπλοκή.
Τι είναι η κβαντική εμπλοκή;
Η κβαντική εμπλοκή συμβαίνει όταν δύο συστήματα είναι τόσο στενά συνδεδεμένα που η γνώση του ενός σας δίνει άμεση γνώση του άλλου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους.
Επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν μπερδεύτηκαν από αυτό το φαινόμενο, το οποίο ονόμασε «μια απόκοσμη ενέργεια σε απόσταση», καθώς παραβίαζε τον κανόνα ότι καμία πληροφορία δεν μπορεί να σταλεί πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός. Πρόσθετα πειράματα με χρήση φωτονίων και ηλεκτρονίων, ωστόσο, επαλήθευσαν τη διαπλοκή.
Η διαπλοκή είναι ο ακρογωνιαίος λίθος των κβαντικών υπολογιστών. Η κβαντική εμπλοκή στη φυσική αναφέρεται σε μια εξαιρετικά ισχυρή σύνδεση μεταξύ των κβαντικών σωματιδίων. Αυτή η σύνδεση είναι τόσο ισχυρή που δύο ή περισσότερα κβαντικά σωματίδια μπορούν να συνδεθούν αναπόφευκτα ενώ χωρίζονται από τεράστιες αποστάσεις.
Για να το κατανοήσετε περαιτέρω, σκεφτείτε μια απλή σύγκριση που δεν σχετίζεται με τη φυσική ή τους υπολογιστές. Σκεφτείτε τι θα συνέβαινε αν πετούσαν όχι ένα, αλλά δύο νομίσματα. Συνήθως, το αν ένα κέρμα προσγειώνεται στα κεφάλια ή στην ουρά έχει μικρή σημασία στο αποτέλεσμα της δεύτερης ρίψης νομίσματος.
Ωστόσο, στην περίπτωση εμπλοκής, και τα δύο μέρη συνδέονται ή μπλέκονται, ανεξάρτητα από το αν είναι φυσικά χωριστά. Σε αυτήν την περίπτωση, εάν ένα νόμισμα προσγειωθεί στις κεφαλές, το δεύτερο νόμισμα θα εμφανίσει επίσης κεφαλές και αντίστροφα.
Κατανόηση της κβαντικής εμπλοκής (με παράδειγμα)
Η κβαντική εμπλοκή είναι πράγματι μια κατάσταση στην οποία δύο συστήματα (συνήθως ηλεκτρόνια ή φωτόνια) συνδέονται τόσο στενά που η απόκτηση πληροφοριών σχετικά με την «κατάσταση» του ενός συστήματος (την κατεύθυνση του σπιν του ηλεκτρονίου, ας πούμε «Επάνω») θα έδινε στιγμιαία γνώση για την κατάσταση του άλλου συστήματος. «κατάσταση» (η κατεύθυνση του σπιν του δεύτερου ηλεκτρονίου, πείτε «Κάτω») ανεξάρτητα από το πόσο μακριά υπάρχουν αυτά τα συστήματα.
Οι φράσεις «στιγμιαία» και «ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μεταξύ τους» είναι σημαντικές. Αυτό το φαινόμενο έχει μπερδέψει επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν, καθώς η κατάσταση δεν ορίζεται μέχρι να μετρηθεί, και η μετάδοση πληροφοριών αψηφά τον κανόνα της κλασικής φυσικής ότι η πληροφορία δεν μπορεί να μεταφερθεί ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.
Ωστόσο, η εμπλοκή έχει αποδειχθεί ότι χρησιμοποιεί φωτόνια και ηλεκτρόνια από τη δεκαετία του 1980, χάρη στην έρευνα και τις δοκιμές που ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1980.
Δύο υποατομικά σωματίδια (ηλεκτρόνια) μπορούν να παραχθούν έτσι ώστε να μπορούν να περιγραφούν από μία μόνο κυματική συνάρτηση. Η εμπλοκή μπορεί να επιτευχθεί με μία μέθοδο επιτρέποντας σε ένα γονικό σωματίδιο με μηδενικές περιστροφές να διασπαστεί σε δύο μπερδεμένα θυγατρικά σωματίδια με ίσες αλλά αντίθετες περιστροφές.
Εάν δύο θυγατρικά σωματίδια δεν αλληλεπιδρούν με τίποτα, οι κυματοσυναρτήσεις τους θα παραμείνουν ίσες και αντίθετες, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μεταξύ τους. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν μέσω δοκιμών ότι ο χρόνος εμπλοκής δεν είχε καμία επίδραση στις πληροφορίες.
Αντίθετα, οι πληροφορίες αποστέλλονται στο άλλο σωματίδιο με ρυθμό μεγαλύτερο από την ταχύτητα του φωτός μόνο όταν μετρώνται οι πληροφορίες ενός σωματιδίου.
Ως αποτέλεσμα, οι πληροφορίες ρέουν με αυτόν τον ρυθμό. Αλλά δεν έχουμε κανέναν έλεγχο σε αυτό – αυτή η έλλειψη ελέγχου περιορίζει τις χρήσεις της Κβαντικής Διαπλοκής, όπως η αποστολή μηνύματος ή άλλης πληροφορίας ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός.
Τι ρόλο παίζει η εμπλοκή στον κβαντικό υπολογισμό;
Η αλλαγή της κατάστασης ενός μπερδεμένου qubit αλλάζει στιγμιαία την κατάσταση του ζευγαρωμένου qubit στους κβαντικούς υπολογιστές. Ως αποτέλεσμα, η εμπλοκή επιταχύνει την ταχύτητα επεξεργασίας των κβαντικών υπολογιστών.
Επειδή η επεξεργασία ενός qubit αποκαλύπτει πληροφορίες για πολλά qubits, ο διπλασιασμός του αριθμού των qubits δεν αυξάνει απαραίτητα τον αριθμό των διεργασιών (δηλαδή, τα μπερδεμένα qubits).
Η κβαντική εμπλοκή, σύμφωνα με μελέτες, απαιτείται για έναν κβαντικό αλγόριθμο για να προσφέρει μια εκθετική επιτάχυνση σε σχέση με τους κλασικούς υπολογισμούς.
Εφαρμογές εμπλοκής στον κβαντικό υπολογισμό
Πολλές εφαρμογές μπορούν να επωφεληθούν από αυτό το μοναδικό φυσικό χαρακτηριστικό, το οποίο θα αλλάξει το παρόν και το μέλλον μας. Η κβαντική κρυπτογράφηση, η υπερπυκνή κωδικοποίηση, η μετάδοση ίσως ταχύτερη από το φως, ακόμη και η τηλεμεταφορά θα μπορούσαν όλα να ενεργοποιηθούν από την εμπλοκή.
Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να αντιμετωπίσουν προκλήσεις έντασης χρόνου και επεξεργασίας σε διάφορους κλάδους, συμπεριλαμβανομένων των χρηματοοικονομικών και των τραπεζών.
Η κβαντική εμπλοκή είναι ένα φαινόμενο που μπορεί να βοηθήσει τέτοιους υπολογιστές μειώνοντας τον χρόνο και την επεξεργαστική ισχύ που απαιτείται για τη διαχείριση της ροής δεδομένων μεταξύ των qubits τους.
1. Κβαντική Κρυπτογραφία
Στην κλασική κρυπτογραφία, ο αποστολέας κωδικοποιεί το μήνυμα με ένα κλειδί, ενώ ο παραλήπτης το αποκωδικοποιεί με το κοινό κλειδί. Ωστόσο, υπάρχει ο κίνδυνος ένας τρίτος να αποκτήσει γνώση σχετικά με τα κλειδιά και να μπορέσει να υποκλέψει και να υπονομεύσει την κρυπτογραφία.
Η δημιουργία ενός ασφαλούς καναλιού μεταξύ των δύο μερών είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για την άθραυστη κρυπτογραφία. Η εμπλοκή μπορεί να το προκαλέσει αυτό. Καθώς τα δύο συστήματα είναι μπερδεμένα, συσχετίζονται μεταξύ τους (όταν το ένα αλλάζει, αλλάζει και το άλλο), και κανένα τρίτο μέρος δεν θα μοιραστεί αυτή τη συσχέτιση.
Η κβαντική κρυπτογραφία επωφελείται επίσης από τη μη-κλωνοποίηση, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα πανομοιότυπο αντίγραφο μιας άγνωστης κβαντικής κατάστασης. Ως αποτέλεσμα, είναι αδύνατο να αναπαραχθούν δεδομένα που κωδικοποιούνται σε κβαντική κατάσταση.
Με μια αδιαπέραστη διανομή κβαντικού κλειδιού, η κβαντική κρυπτογραφία έχει ήδη πραγματοποιηθεί (QKD). Το QKD χρησιμοποιεί τυχαία πολωμένα φωτόνια για να επικοινωνήσει πληροφορίες σχετικά με το κλειδί. Ο παραλήπτης αποκρυπτογραφεί το κλειδί χρησιμοποιώντας φίλτρα πόλωσης και την τεχνική που χρησιμοποιείται για την κρυπτογράφηση του μηνύματος.
Τα μυστικά δεδομένα εξακολουθούν να μεταφέρονται μέσω τυπικών γραμμών επικοινωνίας, αλλά μόνο το ακριβές κβαντικό κλειδί μπορεί να αποκωδικοποιήσει το μήνυμα. Επειδή η «ανάγνωση» των πολωμένων φωτονίων αλλάζει την κατάστασή τους, οποιαδήποτε υποκλοπή ειδοποιεί τους φορείς επικοινωνίας για την εισβολή.
Η τεχνολογία QKD περιορίζεται επί του παρόντος από το καλώδιο οπτικών ινών, το οποίο μπορεί να παραδώσει ένα φωτόνιο για περίπου 100 χιλιόμετρα πριν γίνει πολύ αχνό για λήψη. Το 2004, η πρώτη εμπλοκή τραπεζικής μεταφοράς QKD συνέβη στην Αυστρία.
Η διασφάλιση της μετάδοσης άθραυστων και αδιάψευστων επικοινωνιών που είναι αποδεδειγμένα ασφαλείς βάσει φυσικών αρχών έχει προφανείς εφαρμογές σε χρηματοοικονομικούς, τραπεζικούς, στρατιωτικούς, ιατρικούς και άλλους τομείς. Αρκετές επιχειρήσεις χρησιμοποιούν τώρα εμπλοκή QKD.
2. Κβαντική Τηλεμεταφορά
Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι επίσης η μέθοδος μετάδοσης κβαντικών πληροφοριών μεταξύ δύο μερών, όπως φωτόνια, άτομα, ηλεκτρόνια και υπεραγώγιμα κυκλώματα. Σύμφωνα με έρευνα, η τηλεμεταφορά επιτρέπει στα QC να λειτουργούν παράλληλα, ενώ χρησιμοποιούν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια, μειώνοντας τη χρήση ενέργειας κατά 100 έως 1000 φορές.
Η διάκριση μεταξύ κβαντικής τηλεμεταφοράς και κβαντικής κρυπτογραφίας είναι η εξής:
- Ανταλλαγές κβαντικής τηλεμεταφοράς Μέσω ενός κλασικού καναλιού, αποστέλλονται «κβαντικές» πληροφορίες.
- Ανταλλαγές κβαντικής κρυπτογραφίας Μέσω ενός κβαντικού καναλιού, αποστέλλονται «κλασικές» πληροφορίες.
Οι ανάγκες ισχύος των κβαντικών υπολογιστών παράγουν θερμότητα, κάτι που αποτελεί πρόκληση δεδομένου ότι πρέπει να λειτουργούν σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες. Η τηλεμεταφορά έχει τη δυνατότητα να οδηγήσει σε σχεδιαστικές λύσεις που θα επιταχύνουν την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών.
3. Βιολογικό Σύστημα
Το ανθρώπινο σώμα, όπως όλα τα πλάσματα, αλλάζει συνεχώς λόγω της αλληλεπίδρασης εκατομμυρίων χημικών και βιολογικών διεργασιών. Μέχρι πρόσφατα, θεωρούνταν γραμμικά, με το «Α» να οδηγεί στο «Β». Ωστόσο, η κβαντική βιολογία και η βιοφυσική έχουν αποκαλύψει μια τεράστια ποσότητα συνοχής μέσα στα βιολογικά συστήματα, με το QE να παίζει ρόλο.
Ο τρόπος που οι ποικίλες υπομονάδες του πρωτεϊνικές δομές είναι συσκευασμένα μαζί έχει αναπτυχθεί για να επιτρέπει τη διαρκή κβαντική εμπλοκή και συνοχή. Η Κβαντική Βιολογία εξακολουθεί να είναι ένα θεωρητικό θέμα με διάφορες αναπάντητα ανησυχίες. όταν αντιμετωπιστούν, οι εφαρμογές στην ιατρική θα γίνονται όλο και πιο ορατές.
Ο κβαντικός υπολογισμός, θεωρητικά, μπορεί να μοιάζει καλύτερα με τη φύση (με την προσομοίωση των ατομικών δεσμών) και τα κβαντικά βιολογικά συστήματα από τους κλασσικούς υπολογιστές.
4. Υπερπυκνή Κωδικοποίηση
Η υπερπυκνή κωδικοποίηση είναι η μέθοδος μετάδοσης δύο συμβατικών δυαδικών ψηφίων πληροφοριών χρησιμοποιώντας ένα μόνο μπερδεμένο qubit. Ο κώδικας που είναι εξαιρετικά πυκνός μπορεί:
- Επιτρέπει στον χρήστη να στείλει το μισό από αυτό που χρειάζεται για την ανακατασκευή ενός κλασικού μηνύματος εκ των προτέρων, επιτρέποντας στον χρήστη να επικοινωνεί με διπλάσια ταχύτητα μέχρι να εξαντληθούν τα προ-παραδοθέντα qubits.
- Η χωρητικότητα ενός αμφίδρομου κβαντικού καναλιού προς μία κατεύθυνση διπλασιάζεται.
- Μετατρέψτε το εύρος ζώνης υψηλής καθυστέρησης σε εύρος ζώνης χαμηλής καθυστέρησης μεταδίδοντας τα μισά από τα δεδομένα μέσω του καναλιού υψηλής καθυστέρησης για να υποστηρίξετε τα δεδομένα που εισέρχονται μέσω του καναλιού χαμηλής καθυστέρησης.
Κάθε γενιά επικοινωνίας απαιτεί περισσότερη μεταφορά δεδομένων. Ένα συγκρίσιμο κέρδος σε πληροφορίες θα είναι δυνατό με την υπερπυκνή κωδικοποίηση.
Συμπέρασμα
Η κβαντική εμπλοκή μπορεί να μας επιτρέψει να εργαστούμε με δεδομένα με αδιανόητους προηγουμένως τρόπους. Ενσωματώνοντας τον κβαντικό υπολογισμό με τη διαπλοκή, θα είμαστε σε θέση να απαντήσουμε σε ζητήματα που απαιτούν τεράστιο όγκο δεδομένων με πιο αποτελεσματικό και ασφαλή τρόπο.
Με την προσθήκη βιολογικών και αστρονομικών εφαρμογών, το QE θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να απαντήσει στα ζητήματα που οι άνθρωποι έχουν από καιρό συλλογιστεί: από πού ήρθαμε και πώς ξεκίνησαν όλα;
Όσο περισσότερο η τεχνολογία προχωρά, τόσο περισσότερες εφαρμογές θα βρούμε για αυτήν— έχει τρομερή υπόσχεση!
Αφήστε μια απάντηση