محاسبات کوانتومی داده ها را با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی پردازش می کند. در نتیجه، محاسبات کوانتومی به رویکردی متفاوت از محاسبات کلاسیک نیاز دارد. پردازنده مورد استفاده در کامپیوترهای کوانتومی نمونه ای از این تمایز است.
در حالی که رایانه های سنتی از پردازنده های مبتنی بر سیلیکون استفاده می کنند، رایانه های کوانتومی از سیستم های کوانتومی مانند اتم ها، یون ها، فوتون ها یا الکترون ها استفاده می کنند. آنها از ویژگی های کوانتومی برای نمایش بیت هایی استفاده می کنند که ممکن است در برهم نهی های کوانتومی مختلف 1 و 0 ایجاد شوند.
بنابراین، اصطلاح "کوانتوم" دقیقاً در این زمینه به چه معناست؟ آیا جهش قابل توجهی است؟
اصطلاح کوانتوم از کلمه لاتین quantum به معنای "کمیت" گرفته شده است. در فیزیک "کمیتی گسسته از انرژی متناسب با فرکانس تابشی که نشان می دهد" است. گسسته به چیزی اطلاق می شود که نه مستمر است و نه متمایز. کوانتوم به مقادیر منحصر به فرد یا قابل توجهی از این نظر اشاره دارد.
محاسبات کوانتومی چیست؟
محاسبات کوانتومی از روشهای جبری برای ساختن الگوریتمهایی برای محاسبات استفاده میکند که اغلب مشابه یا مشابه آنهایی هستند که در فیزیک کوانتوم استفاده میشود. مکانیک کوانتومی به نوبه خود به یک نظریه فیزیک پایه اشاره دارد که به توضیح کیفیت های فیزیکی طبیعت در اندازه اتم ها و ذرات زیراتمی می پردازد.
A کامپیوتر کوانتومی بنابراین یک کامپیوتر فرضی است که قادر به پیاده سازی چنین الگوریتم هایی است. در نتیجه، کامپیوترهای کوانتومی اساساً مبتنی بر بیتهای کوانتومی هستند که به عنوان کیوبیت نیز شناخته میشوند، که ممکن است از یک الکترون ایجاد شوند.
ماده کوانتومی بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی رفتار می کند و از مفاهیمی مانند محاسبات احتمالی، برهم نهی و در هم تنیدگی. این ایدهها به عنوان پایهای برای الگوریتمهای کوانتومی عمل میکنند که از قابلیتهای رایانههای کوانتومی برای مقابله با مشکلات پیچیده استفاده میکنند.
در این مقاله، تمام آنچه را که باید در مورد درهم تنیدگی کوانتومی بدانید، مورد بحث قرار خواهم داد.
درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟
درهم تنیدگی کوانتومی زمانی اتفاق میافتد که دو سیستم به قدری به هم مرتبط باشند که دانستن یکی از آنها به شما اطلاع فوری از دیگری میدهد، مهم نیست چقدر از هم دور باشند.
دانشمندانی مانند انیشتین از این پدیده گیج شده بودند که او آن را "عملی شبح آور در فاصله دور" نامید، زیرا این قانون را نقض می کند که هیچ اطلاعاتی نمی تواند سریعتر از سرعت نور ارسال شود. با این حال، آزمایشهای اضافی با استفاده از فوتونها و الکترونها، درهم تنیدگی را تأیید کرد.
درهم تنیدگی سنگ بنای محاسبات کوانتومی است. درهم تنیدگی کوانتومی در فیزیک به پیوند بسیار قوی بین ذرات کوانتومی اشاره دارد. این ارتباط به قدری قوی است که دو یا چند ذره کوانتومی می توانند به طور اجتناب ناپذیری به هم متصل شوند در حالی که با فواصل بسیار زیاد از هم جدا می شوند.
برای درک بیشتر این موضوع، یک مقایسه ساده را در نظر بگیرید که به فیزیک یا محاسبات مربوط نمی شود. در نظر بگیرید که اگر نه یک، بلکه دو سکه پرتاب می شد چه اتفاقی می افتاد. معمولاً، اینکه یک سکه روی سر یا دم فرود بیاید، تأثیر کمی بر نتیجه پرتاب سکه دوم دارد.
با این حال، در مورد درهم تنیدگی، هر دو قسمت بدون توجه به اینکه از نظر فیزیکی از هم جدا هستند، متصل یا درهم میشوند. در این حالت، اگر یک سکه روی سرها بیفتد، سکه دوم نیز سرها را نشان می دهد و بالعکس.
درک درهم تنیدگی کوانتومی (با مثال)
درهم تنیدگی کوانتومی در واقع وضعیتی است که در آن دو سیستم (معمولاً الکترون ها یا فوتون ها) به قدری به هم مرتبط هستند که کسب اطلاعات در مورد "وضعیت" یک سیستم (جهت اسپین الکترون، مثلاً "بالا") دانشی آنی در مورد سیستم دیگر به دست می دهد. "وضعیت" (جهت اسپین الکترون دوم، بگویید "پایین") صرف نظر از اینکه این سیستم ها چقدر از هم فاصله دارند.
عبارات "فوری" و "بدون توجه به اینکه چقدر از هم فاصله دارند" مهم هستند. این پدیده دانشمندانی مانند انیشتین را گیج کرده است، زیرا وضعیت تا زمانی که اندازهگیری نشود، تعریف نمیشود، و انتقال اطلاعات با قانون کلاسیک فیزیک که اطلاعات را نمیتوان سریعتر از سرعت نور حمل کرد، مخالفت میکند.
با این حال، به لطف تحقیقات و آزمایش هایی که در دهه 1980 آغاز شد، ثابت شده است که درهم تنیدگی از فوتون ها و الکترون ها از دهه 1980 استفاده می کند.
دو ذره زیر اتمی (الکترون) را می توان تولید کرد تا بتوان آنها را با یک تابع موج منفرد توصیف کرد. درهم تنیدگی ممکن است در یک روش با اجازه دادن به یک ذره والد با چرخش صفر برای تجزیه به دو ذره دختر درهم تنیده با اسپین های مساوی اما مخالف به دست آید.
اگر دو ذره دختر با هیچ چیز برهمکنش نکنند، توابع موج آنها بدون توجه به اینکه چقدر از هم فاصله دارند، برابر و متضاد باقی میمانند. دانشمندان از طریق آزمایش به این نتیجه رسیدند که زمان درهم تنیدگی تأثیری بر اطلاعات ندارد.
در عوض، اطلاعات با سرعتی بیشتر از سرعت نور به ذره دیگر ارسال میشود که اطلاعات یک ذره اندازهگیری شود.
در نتیجه، اطلاعات با این سرعت جریان می یابد. اما ما هیچ کنترلی روی آن نداریم – این عدم کنترل استفاده از درهم تنیدگی کوانتومی، مانند ارسال پیام یا اطلاعات دیگر را سریعتر از سرعت نور محدود می کند.
درهم تنیدگی چه نقشی در محاسبات کوانتومی دارد؟
تغییر وضعیت یک کیوبیت درهم تنیده به طور آنی وضعیت کیوبیت جفت شده را در کامپیوترهای کوانتومی تغییر می دهد. در نتیجه، درهم تنیدگی سرعت پردازش کامپیوترهای کوانتومی را تسریع می کند.
از آنجایی که پردازش یک کیوبیت اطلاعاتی در مورد کیوبیتهای متعدد نشان میدهد، دوبرابر کردن تعداد کیوبیتها لزوماً تعداد فرآیندها (یعنی کیوبیتهای درهم تنیده) را افزایش نمیدهد.
بر اساس مطالعات، درهم تنیدگی کوانتومی برای یک الگوریتم کوانتومی برای ارائه سرعت نمایی نسبت به محاسبات کلاسیک مورد نیاز است.
کاربردهای درهم تنیدگی در محاسبات کوانتومی
چندین برنامه می توانند از این ویژگی فیزیکی منحصر به فرد بهره مند شوند که حال و آینده ما را تغییر می دهد. رمزگذاری کوانتومی، کدگذاری فوق متراکم، انتقال سریعتر از نور، و حتی انتقال از راه دور همگی ممکن است با درهم تنیدگی فعال شوند.
کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل مقابله با چالشهای انرژی بر زمان و پردازش را در صنایع مختلف از جمله مالی و بانکداری دارند.
درهم تنیدگی کوانتومی پدیدهای است که ممکن است با کاهش زمان و توان پردازشی مورد نیاز برای رسیدگی به جریان داده بین کیوبیتها به چنین رایانههایی کمک کند.
1. رمزنگاری کوانتومی
در رمزنگاری کلاسیک، فرستنده پیام را با یک کلید رمزگذاری می کند، در حالی که گیرنده آن را با کلید مشترک رمزگشایی می کند. با این حال، این خطر وجود دارد که شخص ثالث اطلاعاتی در مورد کلیدها به دست آورد و بتواند رمزنگاری را رهگیری و تضعیف کند.
ایجاد یک کانال امن بین دو طرف سنگ بنای رمزنگاری نشکن است. درهم تنیدگی می تواند باعث این شود. از آنجایی که این دو سیستم درهم تنیده هستند، با یکدیگر همبستگی دارند (زمانی که یکی تغییر می کند، دیگری نیز تغییر می کند)، و هیچ شخص ثالثی این همبستگی را به اشتراک نخواهد گذاشت.
رمزنگاری کوانتومی همچنین از عدم شبیهسازی سود میبرد، به این معنی که تولید یک کپی مشابه از یک حالت کوانتومی ناشناخته غیرممکن است. در نتیجه، تکرار داده های کدگذاری شده در حالت کوانتومی غیرممکن است.
با توزیع غیرقابل نفوذ کلید کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی قبلاً محقق شده است (QKD). QKD از فوتون های پلاریزه تصادفی برای انتقال اطلاعات در مورد کلید استفاده می کند. گیرنده کلید را با استفاده از فیلترهای پلاریزه و تکنیکی که برای رمزگذاری پیام استفاده می شود، رمزگشایی می کند.
داده های مخفی همچنان از طریق خطوط ارتباطی استاندارد منتقل می شوند، اما تنها کلید کوانتومی دقیق می تواند پیام را رمزگشایی کند. از آنجا که "خواندن" فوتون های قطبی شده حالت آنها را تغییر می دهد، هر گونه استراق سمع، ارتباط دهنده ها را از نفوذ آگاه می کند.
فناوری QKD در حال حاضر توسط کابل فیبر نوری محدود شده است، که می تواند یک فوتون را برای حدود 100 کیلومتر قبل از اینکه برای دریافت آنقدر ضعیف شود، ارسال کند. در سال 2004، اولین انتقال بانکی QKD درهم تنیده در اتریش رخ داد.
اطمینان از انتقال ارتباطات نشکن و غیرقابل دستکاری که بر اساس اصول فیزیکی قابل اثبات است، کاربردهای آشکاری در بخشهای مالی، بانکی، نظامی، پزشکی و سایر بخشها دارد. اکنون چندین کسب و کار از QKD درهم تنیده استفاده می کنند.
2. انتقال کوانتومی
تله پورت کوانتومی همچنین روشی برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین دو طرف مانند فوتونها، اتمها، الکترونها و مدارهای ابررسانا است. بر اساس تحقیقات، تلهپورتاسیون به QCها اجازه میدهد به صورت موازی کار کنند و در عین حال از الکتریسیته کمتری استفاده میکنند که مصرف انرژی را ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر کاهش میدهد.
تمایز بین تله پورت کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی به شرح زیر است:
- تبادل تله پورت کوانتومی از طریق یک کانال کلاسیک، اطلاعات "کوانتومی" ارسال می شود.
- تبادل رمزنگاری کوانتومی از طریق یک کانال کوانتومی، اطلاعات "کلاسیک" ارسال می شود.
انرژی مورد نیاز کامپیوترهای کوانتومی تولید گرما می کند، که با توجه به اینکه آنها باید در چنین دماهای پایینی کار کنند، چالشی است. انتقال از راه دور این پتانسیل را دارد که به راه حل های طراحی منجر شود که توسعه محاسبات کوانتومی را سرعت می بخشد.
3. سیستم بیولوژیکی
بدن انسان، مانند همه موجودات، به دلیل تعامل میلیون ها فرآیند شیمیایی و بیولوژیکی به طور مداوم در حال تغییر است. تا همین اواخر، آنها خطی فرض می شدند و "A" به "B" منتهی می شود. با این حال، زیستشناسی کوانتومی و بیوفیزیک حجم عظیمی از انسجام را در داخل سیستمهای بیولوژیکی کشف کردهاند که QE در آن نقش دارد.
راه زیر واحدهای متنوع از ساختارهای پروتئینی با هم بسته بندی شده اند تا امکان درهم تنیدگی و انسجام کوانتومی پایدار را فراهم کنند. زیست شناسی کوانتومی هنوز یک موضوع تئوری با نگرانی های مختلف بی پاسخ است. وقتی به آنها پرداخته شود، کاربردها در پزشکی به طور فزاینده ای قابل مشاهده خواهند بود.
محاسبات کوانتومی، در تئوری، ممکن است بهتر از رایانه های کلاسیک شبیه طبیعت (با شبیه سازی پیوند اتمی) و سیستم های بیولوژیکی کوانتومی باشد.
4. کدگذاری فوق متراکم
کدگذاری فوق چگال روشی برای انتقال دو بیت متعارف اطلاعات با استفاده از یک کیوبیت درهم تنیده است. کد فوق متراکم می تواند:
- به کاربر امکان میدهد نیمی از آنچه برای بازسازی یک پیام کلاسیک لازم است را پیش از موعد ارسال کند و به کاربر اجازه میدهد با سرعت دو برابر تا زمانی که کیوبیتهای از پیش تحویل داده شده تمام شود، ارتباط برقرار کند.
- ظرفیت یک کانال کوانتومی دو طرفه در یک جهت دو برابر می شود.
- پهنای باند با تأخیر بالا را با انتقال نیمی از داده ها از طریق کانال با تأخیر بالا به پهنای باند با تأخیر کم تبدیل کنید تا از داده هایی که از کانال با تأخیر کم وارد می شوند پشتیبانی کنید.
هر نسل از ارتباطات خواستار انتقال اطلاعات بیشتر شده است. افزایش قابل مقایسه در اطلاعات با کدگذاری فوق متراکم امکان پذیر خواهد بود.
نتیجه
درهم تنیدگی کوانتومی ممکن است به ما اجازه دهد تا با دادهها به روشهای غیرقابل تصور کار کنیم. با ادغام محاسبات کوانتومی با درهم تنیدگی، میتوانیم به مسائلی که حجم عظیمی از دادهها را میطلبند به شیوهای کارآمدتر و ایمنتر پاسخ دهیم.
با افزودن کاربردهای بیولوژیکی و نجومی، QE ممکن است برای پاسخگویی به مسائلی که انسانها مدتها در آن فکر میکردند استفاده شود: ما از کجا آمدهایم و همه چیز چگونه آغاز شد؟
هرچه فناوری بیشتر پیشرفت کند، برنامه های کاربردی بیشتری برای آن پیدا خواهیم کرد - نوید فوق العاده ای دارد!
پاسخ دهید