Pregled sadržaja[Sakriti][Pokazati]
Kvantno računalstvo obrađuje podatke koristeći principe kvantne mehanike. Kao rezultat toga, kvantno računalstvo zahtijeva drugačiji pristup od klasičnog računalstva. Procesor koji se koristi u kvantnim računalima jedan je primjer ove razlike.
Dok tradicionalna računala koriste procesore temeljene na siliciju, kvantna računala koriste kvantne sustave poput atoma, iona, fotona ili elektrona. Oni koriste kvantne značajke za predstavljanje bitova koji se mogu stvoriti u različitim kvantnim superpozicijama 1 i 0.
Dakle, što točno znači pojam "kvant" u ovom kontekstu? Je li to značajan skok?
Izraz quantum potječe od latinske riječi quantum, što znači "kvantiteta". To je 'diskretna količina energije proporcionalna po veličini frekvenciji zračenja koju predstavlja' u fizici. Diskretno se odnosi na nešto što nije ni kontinuirano ni različito. Kvant se u ovom smislu odnosi na jedinstvene ili značajne količine.
Što je kvantno računalstvo?
Kvantno računanje koristi algebarske metode za konstruiranje algoritama za izračune, koji su često isti ili slični onima koji se koriste u kvantnoj fizici. Kvantna mehanika se pak odnosi na osnovnu fizičku teoriju koja se bavi objašnjenjem fizičkih kvaliteta prirode u veličini atoma i subatomskih čestica.
A kvantno računalo je stoga hipotetsko računalo sposobno implementirati takve algoritme. Kao rezultat toga, kvantna računala temeljno se temelje na kvantnim bitovima, također poznatim kao kubiti, koji se mogu stvoriti iz jednog elektrona.
Kvantni materijal se ponaša u skladu s pravilima kvantne mehanike, koristeći pojmove poput vjerojatnosnog izračunavanja, superpozicije i zapletenost. Ove ideje služe kao temelj za kvantne algoritme, koji koriste sposobnosti kvantnih računala za rješavanje kompliciranih problema.
U ovom članku raspravljat ću o svemu što trebate znati o kvantnoj isprepletenosti.
Što je kvantna zapetljanost?
Kvantna isprepletenost događa se kada su dva sustava toliko usko povezana da poznavanje jednog daje neposredno znanje o drugom, bez obzira koliko su udaljeni.
Znanstvenici poput Einsteina bili su zbunjeni ovim fenomenom, koji je nazvao "sablasnom radnjom na daljinu" jer je prekršio pravilo da se nijedna informacija ne može poslati brže od brzine svjetlosti. Međutim, dodatni eksperimenti s fotonima i elektronima potvrdili su isprepletenost.
Zapetljanost je kamen temeljac kvantnog računanja. Kvantna isprepletenost u fizici odnosi se na vrlo jaku vezu između kvantnih čestica. Ta je veza toliko jaka da dvije ili više kvantnih čestica mogu biti neumoljivo povezane dok su razdvojene ogromnim udaljenostima.
Da biste to bolje shvatili, razmotrite jednostavnu usporedbu koja nije povezana s fizikom ili računalstvom. Razmislite što bi se dogodilo da se baci ne jedan, nego dva novčića. Obično, pada li jedan novčić na glavu ili rep, malo utječe na ishod drugog bacanja novčića.
Međutim, u slučaju isprepletenosti oba dijela su povezana ili zapetljana, bez obzira na to jesu li fizički odvojeni. U ovom slučaju, ako jedan novčić padne na glave, drugi novčić će također prikazati glave, i obrnuto.
Razumijevanje kvantne isprepletenosti (s primjerom)
Kvantna zapetljanost doista je situacija u kojoj su dva sustava (obično elektroni ili fotoni) toliko usko povezana da bi stjecanje informacija o "stanju" jednog sustava (smjer okretanja elektrona, recimo "gore") donijelo trenutačno znanje o stanju drugog sustava. “stanje” (smjer vrtnje drugog elektrona, recimo “dolje”) bez obzira koliko su ti sustavi udaljeni jedan od drugog.
Izrazi "trenutni" i "bez obzira na to koliko su udaljeni" značajni su. Ovaj fenomen je zbunio znanstvenike poput Einsteina, budući da stanje nije definirano dok se ne izmjeri, a prijenos informacija prkosi pravilu klasične fizike da se informacije ne mogu prenositi brže od brzine svjetlosti.
Međutim, dokazano je da isprepletenost koristi i fotone i elektrone od 1980-ih, zahvaljujući istraživanju i testiranju koje je počelo 1980-ih.
Mogu se proizvesti dvije subatomske čestice (elektrona) tako da se mogu opisati jednom valnom funkcijom. Isprepletanje se može postići jednom metodom dopuštajući matičnoj čestici s nula okretaja da se raspadne na dvije isprepletene kćeri čestice s jednakim, ali suprotnim spinovima.
Ako dvije kćeri čestice ne stupe u interakciju ni s čim, njihove će valne funkcije ostati jednake i suprotne bez obzira na njihovu udaljenost. Znanstvenici su testiranjem utvrdili da vrijeme upletenosti nije imalo utjecaja na informacije.
Umjesto toga, informacija se šalje drugoj čestici brzinom većom od brzine svjetlosti samo kada se izmjeri informacija jedne čestice.
Kao rezultat, informacije teku ovim tempom. Ali mi nemamo kontrolu nad tim – ovaj nedostatak kontrole ograničava upotrebu kvantne zapetljanosti, kao što je slanje poruke ili drugih informacija brže od brzine svjetlosti.
Koju ulogu igra isprepletenost u kvantnom računanju?
Promjena stanja isprepletenog kubita trenutno mijenja stanje uparenog kubita u kvantnim računalima. Kao rezultat toga, isprepletenost ubrzava brzinu obrade kvantnih računala.
Budući da obrada jednog kubita otkriva informacije o brojnim kubitima, udvostručenje broja kubita ne mora nužno povećati broj procesa (tj. isprepletenih kubita).
Kvantna isprepletenost, prema studijama, potrebna je da bi kvantni algoritam pružio eksponencijalno ubrzanje u odnosu na klasične izračune.
Primjene isprepletenosti u kvantnom računarstvu
Nekoliko aplikacija može imati koristi od ove jedinstvene fizičke karakteristike, koja će promijeniti našu sadašnjost i budućnost. Kvantna enkripcija, supergusto kodiranje, možda prijenos brži od svjetlosti, pa čak i teleportacija, svi bi mogli biti omogućeni zapletom.
Kvantna računala imaju potencijal da se nose s izazovima koji zahtijevaju vrijeme i obradu energije u raznim industrijama, uključujući financije i bankarstvo.
Kvantna isprepletenost je fenomen koji bi mogao pomoći takvim računalima smanjenjem količine vremena i procesorske snage potrebne za rukovanje protokom podataka između njihovih kubita.
1. Kvantna kriptografija
U klasičnoj kriptografiji pošiljatelj kodira poruku jednim ključem, dok je primatelj dekodira zajedničkim ključem. Međutim, postoji opasnost da će treća strana dobiti saznanje o ključevima i moći presresti i potkopati kriptografiju.
Stvaranje sigurnog kanala između dvije strane je kamen temeljac neraskidive kriptografije. Zaplitanje može uzrokovati ovo. Kako su dva sustava isprepletena, oni su međusobno povezani (kada se jedan promijeni, mijenja se i drugi), i nijedna treća strana neće dijeliti tu korelaciju.
Kvantna kriptografija također ima koristi od nekloniranja, što znači da je nemoguće generirati identičnu repliku nepoznatog kvantnog stanja. Kao rezultat toga, nemoguće je replicirati podatke kodirane u kvantnom stanju.
Uz neprobojnu distribuciju kvantne ključeve, kvantna kriptografija je već realizirana (QKD). QKD koristi nasumično polarizirane fotone za prenošenje informacija o ključu. Primatelj dešifrira ključ pomoću polarizirajućih filtara i tehnike korištene za šifriranje poruke.
Tajni podaci se i dalje prenose standardnim komunikacijskim linijama, ali samo točan kvantni ključ može dekodirati poruku. Budući da "čitanje" polariziranih fotona mijenja njihova stanja, svako prisluškivanje upozorava komunikatore na upad.
Tehnologija QKD trenutno je ograničena optičkim kabelom, koji može isporučiti foton na oko 100 km prije nego što postane preslab za primanje. Godine 2004. u Austriji se dogodio prvi zapleteni bankovni prijenos QKD.
Osiguravanje prijenosa neraskidivih i neovlaštenih komunikacija koje su dokazano sigurne na temelju fizičkih principa ima očite primjene u financijama, bankarstvu, vojsci, medicini i drugim sektorima. Nekoliko tvrtki sada koristi zapleteni QKD.
2. Kvantna teleportacija
Kvantna teleportacija je također metoda prijenosa kvantnih informacija između dvije strane, kao što su fotoni, atomi, elektroni i supravodljivi krugovi. Prema istraživanju, teleportacija omogućuje paralelni rad QC-a uz korištenje manje električne energije, smanjujući potrošnju energije za 100 do 1000 puta.
Razlika između kvantne teleportacije i kvantne kriptografije je sljedeća:
- Razmjene kvantne teleportacije Preko klasičnog kanala šalju se “kvantne” informacije.
- Razmjena kvantne kriptografije Preko kvantnog kanala šalju se "klasične" informacije.
Potrebe za energijom kvantnih računala stvaraju toplinu, što je izazov s obzirom na to da moraju raditi na tako niskim temperaturama. Teleportacija ima potencijal dovesti do dizajnerskih rješenja koja će ubrzati razvoj kvantnog računanja.
3. Biološki sustav
Ljudsko tijelo, kao i sva stvorenja, neprestano se mijenja zbog interakcije milijuna kemijskih i bioloških procesa. Donedavno se pretpostavljalo da su linearni, a "A" vodi do "B". Međutim, kvantna biologija i biofizika otkrile su ogromnu količinu koherencije unutar bioloških sustava, pri čemu je QE igrao ulogu.
Način na koji različite podjedinice proteinske strukture su pakirani zajedno razvijen je kako bi omogućio održivu kvantnu isprepletenost i koherenciju. Kvantna biologija je još uvijek teorijska tema s raznim neodgovorenim nedoumicama; kada im se pristupi, primjene u medicini postat će sve vidljivije.
Kvantno računalstvo, u teoriji, može više nalikovati prirodi (simulacijom atomske veze) i kvantnim biološkim sustavima od klasičnih računala.
4. Supergusto kodiranje
Supergusto kodiranje je metoda prijenosa dva konvencionalna bita informacija pomoću jednog zapletenog kubita. Kod koji je super gust može:
- Omogućuje korisniku da pošalje polovicu onoga što je potrebno za rekonstrukciju klasične poruke prije vremena, dopuštajući korisniku da komunicira dvostrukom brzinom dok ne ponestane unaprijed dostavljenih kubita.
- Kapacitet dvosmjernog kvantnog kanala u jednom smjeru je udvostručen.
- Pretvorite širinu pojasa s velikom latencijom u propusnost s niskom latencijom prijenosom polovice podataka preko kanala velike latencije kako biste podržali podatke koji dolaze preko kanala niske latencije.
Svaka generacija komunikacije zahtijevala je više prijenosa podataka. Usporedivi dobitak u informacijama bit će moguć uz supergusto kodiranje.
Zaključak
Kvantna isprepletenost može nam omogućiti rad s podacima na dosad nezamislive načine. Integracijom kvantnog računalstva s isprepletenošću moći ćemo odgovoriti na pitanja koja zahtijevaju ogromnu količinu podataka na učinkovitiji i sigurniji način.
Uz dodatak bioloških i astronomskih primjena, QE bi se mogao koristiti za odgovor na pitanja o kojima su ljudi dugo razmišljali: odakle smo došli i kako je sve počelo?
Što više tehnologija napreduje, to ćemo više primjena pronaći za nju - ima ogromna obećanja!
Ostavi odgovor