Sisällysluettelo[Piilottaa][Näytä]
Kvanttilaskenta käsittelee dataa kvanttimekaniikan periaatteiden mukaisesti. Tämän seurauksena kvanttilaskenta vaatii erilaista lähestymistapaa kuin klassinen laskenta. Kvanttitietokoneissa käytetty prosessori on yksi esimerkki tästä erosta.
Kun perinteiset tietokoneet käyttävät piipohjaisia prosessoreita, kvanttitietokoneet käyttävät kvanttijärjestelmiä, kuten atomeja, ioneja, fotoneja tai elektroneja. Ne käyttävät kvanttiominaisuuksia edustamaan bittejä, jotka voidaan luoda erilaisissa 1:n ja 0:n kvanttisuperpositioina.
Joten mitä termi "kvantti" tarkalleen ottaen tarkoittaa tässä yhteydessä? Onko se merkittävä harppaus?
Termi kvantti tulee latinan sanasta quantum, joka tarkoittaa "määrää". Se on "diskreetti energian määrä, joka on suuruudeltaan verrannollinen edustamaansa säteilyn taajuuteen" fysiikassa. Diskreetti viittaa johonkin, joka ei ole jatkuvaa eikä erillistä. Kvantti viittaa ainutlaatuisiin tai merkittäviin määriin tässä mielessä.
Mitä on kvanttilaskenta?
Quantum computing käyttää algebrallisia menetelmiä laskelmien algoritmien rakentamiseen, jotka ovat usein samoja tai samanlaisia kuin kvanttifysiikassa. Kvanttimekaniikka puolestaan viittaa fysiikan perusteoriaan, joka sukeltaa selittämään luonnon fysikaalisia ominaisuuksia atomien ja subatomisten hiukkasten koossa.
A kvantitietokone on siis hypoteettinen tietokone, joka pystyy toteuttamaan tällaisia algoritmeja. Tämän seurauksena kvanttitietokoneet perustuvat pohjimmiltaan kvanttibitteihin, jotka tunnetaan myös nimellä kubitit, jotka voidaan luoda yhdestä elektronista.
Kvanttimateriaali käyttäytyy kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisesti hyödyntäen käsitteitä, kuten todennäköisyyslaskenta, superpositio ja kietoutuminen. Nämä ideat toimivat perustana kvanttialgoritmeille, jotka käyttävät kvanttitietokoneiden ominaisuuksia monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseen.
Tässä artikkelissa käsittelen kaikkea, mitä sinun tarvitsee tietää kvanttiketuutumisesta.
Mikä on kvanttisekoittuminen?
Kvanttikietoutuminen tapahtuu, kun kaksi järjestelmää ovat niin läheisesti yhteydessä toisiinsa, että yhden tietäminen antaa sinulle välittömän tiedon toisesta riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat.
Einsteinin kaltaiset tutkijat hämmentyivät tästä ilmiöstä, jota hän kutsui "pelottavaksi toiminnaksi kaukaa", koska se rikkoi sääntöä, jonka mukaan mitään tietoa ei voida lähettää valon nopeutta nopeammin. Lisäkokeet, joissa käytettiin fotoneja ja elektroneja, vahvistivat kuitenkin sotkeutumisen.
Kietoutuminen on kvanttilaskennan kulmakivi. Kvanttikietoutuminen fysiikassa viittaa erittäin vahvaan yhteyteen kvanttihiukkasten välillä. Tämä yhteys on niin vahva, että kaksi tai useampi kvanttihiukkanen voi olla väistämättä yhteydessä toisiinsa, vaikka ne erottavat valtavat etäisyydet.
Ymmärtääksesi tätä tarkemmin, harkitse yksinkertaista vertailua, joka ei liity fysiikkaan tai tietojenkäsittelyyn. Mieti, mitä tapahtuisi, jos ei heitettäisi yhtä, vaan kaksi kolikkoa. Yleensä sillä, putoaako yksi kolikko päähän vai pyrstöön, on vain vähän vaikutusta toisen kolikonheiton tulokseen.
Sotkeutumisen tapauksessa molemmat osat ovat kuitenkin yhteydessä toisiinsa tai kietoutuvat riippumatta siitä, ovatko ne fyysisesti erillisiä. Tässä tapauksessa, jos yksi kolikko osuu päihin, toisessa kolikossa näkyy samoin päitä ja päinvastoin.
Kvanttikietoutumisen ymmärtäminen (esimerkillä)
Kvanttikietoutuminen on todellakin tilanne, jossa kaksi järjestelmää (tyypillisesti elektronit tai fotonit) ovat niin läheisesti yhteydessä toisiinsa, että tiedon hankkiminen yhden järjestelmän "tilasta" (elektronin spinin suunnasta, sanotaan "ylös") antaisi välittömän tiedon toisen järjestelmän tilasta. "tila" (toisen elektronin spinin suunta, sano "alas") riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan nämä järjestelmät ovat.
Ilmaukset "välitön" ja "riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat" ovat tärkeitä. Tämä ilmiö on hämmentänyt Einsteinin kaltaisia tiedemiehiä, koska tilaa ei määritellä ennen kuin se on mitattu, ja tiedonsiirto uhmaa klassisen fysiikan sääntöä, jonka mukaan tietoa ei voida kuljettaa valon nopeutta nopeammin.
Kietoutumisen on kuitenkin todistettu käyttävän sekä fotoneja että elektroneja 1980-luvulta lähtien, kiitos 1980-luvulla alkaneen tutkimuksen ja testauksen.
Kaksi subatomista hiukkasta (elektroneja) voidaan tuottaa siten, että ne voidaan kuvata yhdellä aaltofunktiolla. Kietoutuminen voidaan saavuttaa yhdellä menetelmällä antamalla emohiukkasen, jolla on nolla spiniä, hajota kahdeksi sotkeutuneeksi tytärhiukkaseksi, joilla on samat mutta vastakkaiset spinit.
Jos kaksi tytärhiukkasta eivät ole vuorovaikutuksessa minkään kanssa, niiden aaltofunktiot pysyvät samanlaisina ja vastakkaisina riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan ne mitataan. Tutkijat päättivät testaamalla, että sotkeutumisaika ei vaikuttanut tietoon.
Sen sijaan informaatiota lähetetään toiselle hiukkaselle valonnopeutta nopeammalla nopeudella vain, kun yhden hiukkasen informaatiota mitataan.
Seurauksena on, että tieto kulkee tätä vauhtia. Mutta emme voi hallita sitä – tämä hallinnan puute rajoittaa Quantum Entanglementin käyttöä, kuten viestin tai muun tiedon lähettämistä valonnopeutta nopeammin.
Mikä rooli sotkeutumisella on kvanttilaskennassa?
Kietoutuneen kubitin tilan muuttaminen muuttaa välittömästi parin kubitin tilan kvanttitietokoneissa. Seurauksena on, että takertuminen nopeuttaa kvanttitietokoneiden käsittelynopeutta.
Koska yhden kubitin käsittely paljastaa tietoa useista kubiteista, kubittien määrän kaksinkertaistaminen ei välttämättä lisää prosessien (eli sotkeutuneiden kubittien) määrää.
Kvanttikietoutuminen on tutkimusten mukaan välttämätöntä, jotta kvanttialgoritmi saa aikaan eksponentiaalisen nopeuden klassisiin laskelmiin verrattuna.
Kietoutumissovellukset kvanttilaskentaan
Useat sovellukset voivat hyötyä tästä ainutlaatuisesta fyysisestä ominaisuudesta, joka muuttaa nykyisyyttämme ja tulevaisuuttamme. Kvanttisalaus, supertiheä koodaus, ehkä valoa nopeampi lähetys ja jopa teleportaatio voivat kaikki olla mahdollista sotkeutumalla.
Kvanttitietokoneilla on potentiaalia vastata aikaa ja prosessointitehoa vaativiin haasteisiin useilla toimialoilla, mukaan lukien rahoitus- ja pankkiala.
Kvanttikietoutuminen on ilmiö, joka saattaa auttaa tällaisia tietokoneita vähentämällä aikaa ja prosessointitehoa, joka tarvitaan käsittelemään niiden kubittien välistä datavirtaa.
1. Kvanttisalaus
Klassisessa kryptografiassa lähettäjä koodaa viestin yhdellä avaimella, kun taas vastaanottaja purkaa sen jaetulla avaimella. On kuitenkin olemassa vaara, että kolmas osapuoli saa tietoa avaimista ja pystyy sieppaamaan ja heikentämään kryptografiaa.
Turvallisen kanavan luominen kahden osapuolen välille on rikkoutumattoman kryptografian kulmakivi. Sotkeutuminen voi aiheuttaa tämän. Koska nämä kaksi järjestelmää kietoutuvat toisiinsa, ne korreloivat keskenään (kun toinen muuttuu, muuttuu myös toinen), eikä mikään kolmas osapuoli jaa tätä korrelaatiota.
Kvanttisalaus hyötyy myös ei-kloonauksesta, mikä tarkoittaa, että on mahdotonta luoda identtistä kopiota tuntemattomasta kvanttitilasta. Tämän seurauksena on mahdotonta kopioida kvanttitilassa koodattua dataa.
Läpäisemättömällä kvanttiavainjakaumalla kvanttisalaus on jo toteutettu (QKD). QKD käyttää satunnaisesti polarisoituja fotoneja välittämään tietoa avaimesta. Vastaanottaja purkaa avaimen käyttämällä polarisoivia suodattimia ja viestin salaamiseen käytettyä tekniikkaa.
Salaiset tiedot siirretään edelleen tavallisia viestintälinjoja pitkin, mutta vain tarkka kvanttiavain voi purkaa viestin. Koska polarisoituneiden fotonien "lukeminen" muuttaa niiden tiloja, kaikki salakuuntelut varoittavat kommunikaattorit tunkeutumisesta.
QKD-tekniikkaa rajoittaa tällä hetkellä valokuitukaapeli, joka voi lähettää fotonia noin 100 kilometrin matkan ennen kuin muuttuu liian heikoksi vastaanottaakseen. Vuonna 2004 ensimmäinen sotkeutunut QKD-pankkisiirto tapahtui Itävallassa.
Varmistamalla, että särkymättömän ja väärentämättömän viestinnän välittämisellä, joka on todistetusti suojattu fyysisiin periaatteisiin perustuen, on ilmeisiä sovelluksia rahoitus-, pankki-, sotilas-, lääketieteen ja muilla aloilla. Useat yritykset käyttävät nyt sotkeutunutta QKD:tä.
2. Kvanttiteleportaatio
Kvanttiteleportaatio on myös menetelmä kvanttiinformaation välittämiseksi kahden osapuolen, kuten fotonien, atomien, elektronien ja suprajohtavien piirien, välillä. Tutkimusten mukaan teleportaation ansiosta QC:t voivat toimia rinnakkain samalla, kun ne käyttävät vähemmän sähköä, mikä vähentää virrankulutusta 100-1000 kertaa.
Ero kvanttiteleportaation ja kvanttisalauksen välillä on seuraava:
- Kvanttiteleportaation vaihto Klassisen kanavan kautta lähetetään ”kvantti”-informaatiota.
- Kvanttisalauksen vaihdot Kvanttikanavan kautta lähetetään "klassista" tietoa.
Kvanttitietokoneiden tehotarve tuottaa lämpöä, mikä on haaste, koska niiden on toimittava niin alhaisissa lämpötiloissa. Teleportaatiolla on potentiaalia johtaa suunnitteluratkaisuihin, jotka nopeuttavat kvanttilaskennan kehitystä.
3. Biologinen järjestelmä
Ihmiskeho, kuten kaikki olennot, muuttuu jatkuvasti miljoonien kemiallisten ja biologisten prosessien vuorovaikutuksen vuoksi. Viime aikoihin asti niiden oletettiin olevan lineaarisia, jolloin "A" johti "B:hen". Kvanttibiologia ja biofysiikka ovat kuitenkin paljastaneet valtavan määrän koherenssia biologisten järjestelmien sisällä, ja QE:llä on rooli.
Tapa, jolla eri alayksiköt proteiinirakenteet on pakattu yhteen, ja se on kehitetty mahdollistamaan jatkuva kvanttikettuminen ja koherenssi. Kvanttibiologia on edelleen teoreettinen aihe, jolla on useita ratkaisemattomia huolenaiheita; Kun niihin puututaan, lääketieteen sovellukset tulevat yhä näkyvämmiksi.
Kvanttilaskenta saattaa teoriassa muistuttaa paremmin luontoa (simuloimalla atomisidoksia) ja kvanttibiologisia järjestelmiä kuin klassiset tietokoneet.
4. Supertiheä koodaus
Supertiheyskoodaus on menetelmä, jolla lähetetään kaksi tavanomaista informaatiobittiä käyttämällä yhtä kietoutunutta kubittiä. Erittäin tiheä koodi voi:
- Antaa käyttäjän lähettää puolet siitä, mitä tarvitaan klassisen viestin rekonstruoimiseen etukäteen, jolloin käyttäjä voi kommunikoida kaksinkertaisella nopeudella, kunnes ennalta toimitetut qubitit loppuvat.
- Kaksisuuntaisen kvanttikanavan kapasiteetti yhteen suuntaan kaksinkertaistuu.
- Muunna korkean viiveen kaistanleveys matalan viiveen kaistanleveydeksi lähettämällä puolet tiedosta korkean viiveen kanavan kautta tukemaan alhaisen latenssin kanavan kautta tulevaa dataa.
Jokainen viestintäsukupolvi on vaatinut enemmän tiedonsiirtoa. Vertailukelpoinen tiedonsaanti on mahdollista supertiheällä koodauksella.
Yhteenveto
Kvanttikietoutuminen voi antaa meille mahdollisuuden työskennellä datan kanssa aiemmin käsittämättömillä tavoilla. Integroimalla kvanttilaskennan sotkeutumiseen pystymme tehokkaammin ja turvallisemmin vastaamaan kysymyksiin, jotka vaativat valtavan määrän dataa.
Kun siihen lisätään biologisia ja tähtitieteellisiä sovelluksia, QE:tä voidaan käyttää vastaamaan kysymyksiin, joita ihmiset ovat pitkään pohtineet: mistä me tulimme ja miten kaikki alkoi?
Mitä enemmän tekniikka kehittyy, sitä enemmän sovelluksia löydämme sille – sillä on valtava lupaus!
Jätä vastaus