Kvantarvutus töötleb andmeid kvantmehaanika põhimõtete abil. Sellest tulenevalt nõuab kvantarvutus teistsugust lähenemist kui klassikaline andmetöötlus. Kvantarvutites kasutatav protsessor on selle eristuse üks näide.
Kui traditsioonilistes arvutites kasutatakse ränipõhiseid protsessoreid, siis kvantarvutites kasutatakse kvantsüsteeme, nagu aatomid, ioonid, footonid või elektronid. Nad kasutavad kvantfunktsioone, et esindada bitte, mida saab luua erinevates kvant-superpositsioonides 1 ja 0.
Niisiis, mida täpselt tähendab mõiste "kvant" selles kontekstis? Kas see on märkimisväärne hüpe?
Mõiste kvant tuleneb ladinakeelsest sõnast quantum, mis tähendab "kogust". See on füüsikas "diskreetne energiakogus, mis on võrdeline selle kiirguse sagedusega, mida see esindab". Diskreetne viitab millelegi, mis ei ole pidev ega eristatav. Kvant viitab selles mõttes ainulaadsetele või olulistele kogustele.
Mis on kvantarvutus?
Kvantarvutus kasutab algebralisi meetodeid arvutusalgoritmide koostamiseks, mis on sageli samad või sarnased kvantfüüsikas kasutatavatega. Kvantmehaanika viitab omakorda põhilisele füüsikateooriale, mis sukeldub looduse füüsikaliste omaduste seletusse aatomite ja subatomiliste osakeste suuruses.
A kvantarvuti on seega hüpoteetiline arvuti, mis suudab selliseid algoritme rakendada. Selle tulemusena põhinevad kvantarvutid põhimõtteliselt kvantbittidel, tuntud ka kui kubitid, mis võivad tekkida ühest elektronist.
Kvantmaterjal käitub vastavalt kvantmehaanika reeglitele, kasutades selliseid mõisteid nagu tõenäosusarvutus, superpositsioon ja takerdumine. Need ideed on aluseks kvantalgoritmidele, mis kasutavad keeruliste probleemide lahendamiseks kvantarvutite võimalusi.
Selles artiklis käsitlen kõike, mida peate kvantpõimumise kohta teadma.
Mis on kvantpõimumine?
Kvantpõimumine tekib siis, kui kaks süsteemi on nii tihedalt seotud, et ühe teadmine annab teise kohta vahetu teadmise, olenemata sellest, kui kaugel need üksteisest asuvad.
Teadlasi, nagu Einstein, hämmastas see nähtus, mida ta nimetas "kaugeks õudseks tegevuseks", kuna see rikkus reeglit, mille kohaselt ei saa teavet saata kiiremini kui valguse kiirus. Täiendavad katsed, milles kasutati footoneid ja elektrone, kinnitasid aga takerdumist.
Põimumine on kvantarvutuse nurgakivi. Kvantpõimumine viitab füüsikas väga tugevale seosele kvantosakeste vahel. See ühendus on nii tugev, et kaks või enam kvantosakest võivad olla vääramatult ühendatud, samas kui neid eraldavad tohutud vahemaad.
Selle paremaks mõistmiseks kaaluge lihtsat võrdlust, mis ei ole seotud füüsika ega andmetöötlusega. Mõelge, mis juhtuks, kui visataks mitte üks, vaid kaks münti. Tavaliselt mõjutab see, kas üks münt langeb pähe või sabale, teise mündiviske tulemusele vähe.
Põimumise korral on aga mõlemad osad ühendatud või takerdunud, olenemata sellest, kas nad on füüsiliselt eraldi. Sel juhul, kui üks münt langeb peadele, kuvatakse ka teisel mündil päid ja vastupidi.
Kvantpõimumise mõistmine (koos näitega)
Kvantpõimumine on tõepoolest olukord, kus kaks süsteemi (tavaliselt elektronid või footonid) on nii tihedalt seotud, et teabe hankimine ühe süsteemi "oleku" (elektroni spinni suund, ütleme "üles") kohta annaks hetkelise teadmise teise süsteemi kohta. "olek" (teise elektroni spinni suund, öelge "alla") olenemata sellest, kui kaugel need süsteemid üksteisest eksisteerivad.
Fraasid "kohe" ja "olenemata sellest, kui kaugel nad üksteisest on" on olulised. See nähtus on hämmingus teadlasi nagu Einstein, kuna olekut ei määratleta enne, kui seda mõõdetakse, ja teabe edastamine eirab klassikalise füüsika reeglit, mille kohaselt ei saa teavet edastada valguse kiirusest kiiremini.
Tänu 1980. aastatel alanud uuringutele ja katsetustele on aga tõestatud, et takerdumine kasutab alates 1980. aastatest nii footoneid kui elektrone.
Kahte subatomaarset osakest (elektrone) saab toota nii, et neid saab kirjeldada ühe lainefunktsiooniga. Põimumise võib saavutada ühe meetodi abil, lastes null spinniga lähteosakesel laguneda kaheks põimunud tütarosakeseks, millel on võrdsed, kuid vastupidised spinnid.
Kui kaks tütarosakest ei interakteeru millegagi, jäävad nende lainefunktsioonid võrdseks ja vastandlikuks olenemata sellest, kui kaugele neid mõõdetakse. Teadlased tegid testimise teel kindlaks, et takerdumise aeg ei mõjutanud teavet.
Selle asemel saadetakse teave teisele osakesele valguse kiirusest suurema kiirusega ainult siis, kui mõõdetakse ühe osakese teavet.
Tänu sellele liigub info sellises tempos. Kuid meil pole selle üle kontrolli – see kontrolli puudumine piirab Quantum Entanglementi kasutusvõimalusi, näiteks sõnumite või muu teabe saatmist valguse kiirusest kiiremini.
Millist rolli mängib takerdumine kvantarvutuses?
Põimunud kubiti oleku muutmine muudab kvantarvutite paaritud kubiti oleku hetkega. Selle tulemusena kiirendab takerdumine kvantarvutite töötlemiskiirust.
Kuna ühe kubiidi töötlemine paljastab teavet paljude kubitide kohta, ei suurenda kubitide arvu kahekordistamine tingimata protsesside (st takerdunud kubittide) arvu.
Uuringute kohaselt on kvantalgoritmi jaoks vajalik kvantpõimumine, et saavutada klassikaliste arvutustega võrreldes eksponentsiaalne kiirus.
Põimumisrakendused kvantarvutuses
Mitmed rakendused võivad kasu saada sellest ainulaadsest füüsilisest omadusest, mis muudab meie olevikku ja tulevikku. Kvantkrüptimine, ülitihe kodeerimine, võib-olla valgusest kiirem ülekanne ja isegi teleportatsioon võivad olla kõik võimalikud takerdumise tõttu.
Kvantarvutitel on potentsiaali lahendada aja- ja töötlemisvõimsusi nõudvaid väljakutseid erinevates tööstusharudes, sealhulgas rahanduses ja panganduses.
Kvantpõimumine on nähtus, mis võib selliseid arvuteid aidata, vähendades nende kubitide vahelise andmevoo käsitlemiseks vajalikku aega ja töötlemisvõimsust.
1. Kvantkrüptograafia
Klassikalises krüptograafias kodeerib saatja sõnumi ühe võtmega, saaja aga dekodeerib selle jagatud võtmega. Siiski on oht, et kolmas osapool saab võtmete kohta teadmisi ning suudab krüptograafiat pealt kuulata ja õõnestada.
Kahe osapoole vahel turvalise kanali loomine on purunematu krüptograafia nurgakivi. Põimumine võib seda põhjustada. Kuna need kaks süsteemi on põimunud, on need omavahel korrelatsioonis (kui üks muutub, muutub ka teine) ja ükski kolmas osapool ei jaga seda korrelatsiooni.
Kvantkrüptograafia saab kasu ka mittekloonimisest, mis tähendab, et tundmatu kvantoleku identset koopiat on võimatu genereerida. Selle tulemusena on kvantolekus kodeeritud andmeid võimatu kopeerida.
Läbimatu kvantvõtmejaotusega on kvantkrüptograafia juba realiseeritud (QKD). QKD kasutab võtme kohta teabe edastamiseks juhuslikult polariseeritud footoneid. Saaja dešifreerib võtme polariseerivate filtrite ja sõnumi krüptimiseks kasutatava tehnika abil.
Salaandmed edastatakse endiselt standardsete sideliinide kaudu, kuid sõnumit saab dekodeerida ainult täpne kvantvõti. Kuna polariseeritud footonite "lugemine" muudab nende olekut, hoiatab igasugune pealtkuulamine suhtlejaid sissetungi eest.
QKD-tehnoloogiat piirab praegu fiiberoptiline kaabel, mis suudab edastada footoni umbes 100 km kaugusele, enne kui see muutub vastuvõtmiseks liiga nõrgaks. 2004. aastal toimus esimene segane QKD pangaülekanne Austrias.
Füüsilistel põhimõtetel põhineva tõestatavalt turvalise purunematu ja võltsimiskindla side edastamisel on ilmsed rakendused rahanduses, panganduses, sõjaväes, meditsiinis ja muudes sektorites. Mitmed ettevõtted kasutavad nüüd segatud QKD-d.
2. Kvantteleportatsioon
Kvantteleportatsioon on ka meetod kvantteabe edastamiseks kahe osapoole, näiteks footonite, aatomite, elektronide ja ülijuhtivate ahelate vahel. Uuringute kohaselt võimaldab teleportatsioon QC-del töötada paralleelselt, kasutades samal ajal vähem elektrit, vähendades energiatarbimist 100–1000 korda.
Kvantteleportatsiooni ja kvantkrüptograafia eristamine on järgmine:
- Kvantteleportatsiooni vahetus Klassikalise kanali kaudu saadetakse kvantteavet.
- Kvantkrüptograafia vahetus Kvantkanali kaudu saadetakse "klassikaline" teave.
Kvantarvutite energiavajadus tekitab soojust, mis on väljakutse, kuna need peavad töötama nii madalatel temperatuuridel. Teleportatsioon võib viia disainilahendusteni, mis kiirendavad kvantandmetöötluse arengut.
3. Bioloogiline süsteem
Inimkeha, nagu kõik olendid, muutub miljonite keemiliste ja bioloogiliste protsesside koosmõju tõttu pidevalt. Kuni viimase ajani eeldati, et need on lineaarsed, kus "A" viis täheni "B". Kvantbioloogia ja biofüüsika on aga avastanud bioloogilistes süsteemides tohutul hulgal sidusust, kusjuures QE mängib rolli.
Erinevate allüksuste viis valgu struktuurid on kokku pakitud on välja töötatud, et võimaldada püsivat kvantpõimumist ja sidusust. Kvantbioloogia on endiselt teoreetiline teema, millel on erinevad vastuseta mured; kui nendega tegeletakse, muutuvad rakendused meditsiinis üha nähtavamaks.
Kvantarvuti võib teoreetiliselt meenutada paremini loodust (simuleerides aatomsidemeid) ja kvantbioloogilisi süsteeme kui klassikalised arvutid.
4. Ülitihe kodeerimine
Ülitihe kodeerimine on kahe tavapärase teabebiti edastamise meetod ühe põimunud kubiti abil. Ülitihe kood võib:
- Võimaldab kasutajal saata pool sellest, mida on vaja klassikalise sõnumi rekonstrueerimiseks enne tähtaega, võimaldades kasutajal suhelda kahekordse kiirusega, kuni eelnevalt edastatud qubitid saavad otsa.
- Kahesuunalise kvantkanali võimsus ühes suunas kahekordistub.
- Teisendage suure latentsusajaga ribalaius väikese latentsusajaga ribalaiuseks, edastades pooled andmetest suure latentsusajaga kanali kaudu, et toetada madala latentsusajaga kanali kaudu saabuvaid andmeid.
Iga suhtluse põlvkond on nõudnud rohkem andmeedastust. Võrreldav teabekasv on ülitiheda kodeerimisega võimalik.
Järeldus
Kvantpõimumine võib võimaldada meil töötada andmetega varem mõeldamatul viisil. Kvantandmetöötluse ja põimumise integreerimisega suudame tõhusamalt ja ohutumalt vastata probleemidele, mis nõuavad suurt hulka andmeid.
Bioloogiliste ja astronoomiliste rakenduste lisamisega võidakse QE-d kasutada, et vastata küsimustele, mille üle inimesed on pikka aega mõelnud: kust me tulime ja kuidas see kõik alguse sai?
Mida rohkem tehnoloogia areneb, seda rohkem rakendusi me sellele leiame – see on tohutult paljutõotav!
Jäta vastus