Tartalomjegyzék[Elrejt][Előadás]
A kvantumszámítás a kvantummechanikai elvek segítségével dolgozza fel az adatokat. Ennek eredményeként a kvantumszámítás más megközelítést igényel, mint a klasszikus számítástechnika. A kvantumszámítógépekben használt processzor az egyik példa erre a megkülönböztetésre.
Míg a hagyományos számítógépek szilícium alapú processzorokat alkalmaznak, a kvantumszámítógépek kvantumrendszereket, például atomokat, ionokat, fotonokat vagy elektronokat használnak. Kvantum jellemzőket alkalmaznak a bitek ábrázolására, amelyek 1 és 0 különböző kvantum-szuperpozícióiban hozhatók létre.
Tehát mit is jelent pontosan a „kvantum” kifejezés ebben az összefüggésben? Ez jelentős ugrás?
A kvantum kifejezés a latin quantum szóból származik, ami „mennyiséget” jelent. Ez a fizikában „az általa képviselt sugárzás frekvenciájával nagyságrendileg arányos diszkrét energiamennyiség”. A diszkrét valamire utal, ami nem folyamatos és nem is különálló. A kvantum ebben az értelemben egyedi vagy jelentős mennyiségekre utal.
Mi az a kvantumszámítás?
Kvantumszámítás algebrai módszereket használ a számítási algoritmusok összeállítására, amelyek gyakran megegyeznek a kvantumfizikában használtakkal vagy hasonlóak. A kvantummechanika pedig egy alapvető fizikaelméletre utal, amely belemerül a természet atomok és szubatomi részecskék méretével kapcsolatos fizikai tulajdonságainak magyarázatába.
A kvantum számítógép így egy hipotetikus számítógép, amely képes ilyen algoritmusok megvalósítására. Ennek eredményeként a kvantumszámítógépek alapvetően kvantumbiteken, más néven qubiteken alapulnak, amelyek egyetlen elektronból hozhatók létre.
A kvantumanyag a kvantummechanikai szabályok szerint viselkedik, olyan fogalmakat használva, mint a valószínűségi számítás, a szuperpozíció és összefonódás. Ezek az ötletek a kvantum algoritmusok alapjául szolgálnak, amelyek a kvantumszámítógépek képességeit használják fel bonyolult problémák megoldására.
Ebben a cikkben mindent meg fogok tárgyalni, amit a kvantumösszefonódásról tudni kell.
Mi az a kvantumösszefonódás?
A kvantumösszefonódás akkor következik be, amikor két rendszer olyan szorosan kapcsolódik egymáshoz, hogy az egyik ismerete azonnali tudást ad a másikról, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól.
A tudósokat, mint például Einsteint, zavarba ejtette ez a jelenség, amelyet „kísérteties távoli cselekvésnek” nevezett, mivel megszegte azt a szabályt, miszerint semmilyen információ nem küldhető el a fénysebességnél gyorsabban. A fotonokkal és elektronokkal végzett további kísérletek azonban igazolták az összefonódást.
Az összefonódás a kvantumszámítás alapköve. A kvantumösszefonódás a fizikában a kvantumrészecskék közötti rendkívül erős kapcsolatra utal. Ez a kapcsolat olyan erős, hogy két vagy több kvantumrészecske menthetetlenül összekapcsolódhat, miközben hatalmas távolságok választják el őket egymástól.
Ennek további megértéséhez vegyen fontolóra egy egyszerű összehasonlítást, amely nem kapcsolódik a fizikához vagy a számítástechnikához. Gondold át, mi történne, ha nem egy, hanem két érmét dobnának fel. Általában annak, hogy az egyik érme fejre vagy farokra esik-e, nem sok jelentősége van a második érmefeldobás kimenetelének.
Összefonódás esetén azonban mindkét rész összekapcsolódik vagy összefonódik, függetlenül attól, hogy fizikailag különállóak-e. Ebben az esetben, ha az egyik érme fejekre esik, a második érme szintén fejeket jelenít meg, és fordítva.
A kvantumösszefonódás megértése (példával)
A kvantumösszefonódás valóban olyan helyzet, amelyben két rendszer (tipikusan elektronok vagy fotonok) olyan szorosan kapcsolódik egymáshoz, hogy az egyik rendszer „állapotáról” (az elektron spinjének irányáról, mondjuk „Felfelé”) vonatkozó információk megszerzése azonnali tudást adna a másik rendszer állapotáról. „állapot” (a második elektron spinjének iránya, mondjuk „lefelé”), függetlenül attól, hogy ezek a rendszerek milyen messze vannak egymástól.
Az „azonnali” és „függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól” kifejezések jelentősek. Ez a jelenség zavarba ejtette az olyan tudósokat, mint Einstein, mivel az állapotot addig nem határozzák meg, amíg meg nem mérik, és az információátvitel ellentmond a klasszikus fizika szabályának, amely szerint az információ nem szállítható gyorsabban, mint a fénysebesség.
Az 1980-as évektől kezdődő kutatásoknak és teszteléseknek köszönhetően azonban az 1980-as évek óta bebizonyosodott, hogy az összefonódás fotonokat és elektronokat is használ.
Két szubatomi részecske (elektron) állítható elő úgy, hogy egyetlen hullámfüggvénnyel leírhatók. Az összefonódás egy módszerrel érhető el, ha hagyjuk, hogy egy nulla spinű szülőrészecske két összegabalyodott, azonos, de ellentétes spinű leányrészecskévé bomlik.
Ha két leányrészecske nem lép kölcsönhatásba semmivel, hullámfüggvényeik azonosak maradnak és ellentétesek maradnak, függetlenül attól, hogy milyen távolságra mérik őket. A tudósok teszteléssel megállapították, hogy az összefonódás ideje nincs hatással az információra.
Ehelyett az információ a fénysebességnél nagyobb sebességgel kerül a másik részecske felé csak akkor, ha az egyik részecske információit mérik.
Ennek eredményeként az információ ilyen ütemben áramlik. De nincs rá kontrollunk – ez a kontroll hiánya korlátozza a kvantumösszefonódás alkalmazását, például a fénysebességnél gyorsabb üzenetek vagy egyéb információk küldését.
Milyen szerepet játszik az összefonódás a kvantumszámítástechnikában?
Egy összefonódott qubit állapotának megváltoztatása azonnal megváltoztatja a párosított qubit állapotát a kvantumszámítógépekben. Ennek eredményeként az összefonódás felgyorsítja a kvantumszámítógépek feldolgozási sebességét.
Mivel egy qubit feldolgozása számos qubitről tár fel információt, a qubitek számának megduplázása nem feltétlenül növeli a folyamatok (azaz az összefonódott qubitek) számát.
A tanulmányok szerint kvantumösszefonódás szükséges ahhoz, hogy egy kvantum algoritmus exponenciális gyorsulást biztosítson a klasszikus számításokhoz képest.
Összefonódási alkalmazások a kvantumszámítástechnikában
Számos alkalmazás profitálhat ebből az egyedülálló fizikai jellemzőből, amely megváltoztatja jelenünket és jövőnket. A kvantumtitkosítás, a szupersűrű kódolás, esetleg a fénynél gyorsabb átvitel, sőt a teleportáció is lehetséges, hogy az összefonódás lehetővé teszi.
A kvantumszámítógépek képesek megbirkózni az idő- és feldolgozási energiaigényes kihívásokkal számos iparágban, beleértve a pénzügyet és a bankszektort is.
A kvantumösszefonódás olyan jelenség, amely segíthet az ilyen számítógépeken azáltal, hogy csökkenti a qubitjeik közötti adatáramlás kezeléséhez szükséges időt és feldolgozási teljesítményt.
1. Kvantum kriptográfia
A klasszikus kriptográfiában a feladó egy kulccsal kódolja az üzenetet, míg a címzett a megosztott kulccsal dekódolja. Fennáll azonban annak a veszélye, hogy egy harmadik fél tudomást szerez a kulcsokról, és képes lesz elfogni és aláásni a kriptográfiát.
A két fél közötti biztonságos csatorna létrehozása a feltörhetetlen kriptográfia sarokköve. Az összefonódás ezt okozhatja. Mivel a két rendszer összefonódik, korrelálnak egymással (ha az egyik változik, akkor a másik is), és ezt a korrelációt harmadik fél nem osztja meg.
A kvantumkriptográfia a klónozás nélküliség előnyeit is élvezi, ami azt jelenti, hogy lehetetlen egy ismeretlen kvantumállapot azonos másolatát előállítani. Ennek eredményeképpen a kvantumállapotban kódolt adatok replikálása lehetetlen.
Az áthatolhatatlan kvantumkulcs-eloszlással a kvantumkriptográfia már megvalósult (QKD). A QKD véletlenszerűen polarizált fotonokat használ a kulcsról való információ közlésére. A címzett polarizáló szűrők és az üzenet titkosításához használt technika segítségével fejti meg a kulcsot.
A titkos adatokat továbbra is szabványos kommunikációs vonalakon továbbítják, de csak a pontos kvantumkulcs tudja dekódolni az üzenetet. Mivel a polarizált fotonok „leolvasása” megváltoztatja állapotukat, minden lehallgatás figyelmezteti a kommunikátorokat a behatolásra.
A QKD technológiát jelenleg az optikai kábel korlátozza, amely körülbelül 100 km-en keresztül képes fotont leadni, mielőtt túl halványsá válik a vételhez. 2004-ben történt az első összegabalyodott QKD banki átutalás Ausztriában.
Annak biztosítása, hogy a feltörhetetlen és hamisíthatatlan, fizikai elvek alapján bizonyíthatóan biztonságos kommunikáció továbbítása nyilvánvalóan alkalmazható legyen a pénzügyi, banki, katonai, orvosi és egyéb szektorokban. Számos vállalkozás használja most összefonódott QKD-t.
2. Kvantumteleportáció
A kvantumteleportáció a kvantuminformációk továbbításának módszere is két fél, például fotonok, atomok, elektronok és szupravezető áramkörök között. Kutatások szerint a teleportáció lehetővé teszi a QC-k párhuzamos működését, miközben kevesebb áramot használnak fel, és ezzel 100-1000-szeresére csökkentik az energiafogyasztást.
A kvantumteleportáció és a kvantumkriptográfia közötti különbség a következő:
- A kvantumteleportáció cseréje Egy klasszikus csatornán keresztül „kvantum” információ kerül elküldésre.
- A kvantumkriptográfia cseréje Egy kvantumcsatornán keresztül „klasszikus” információk kerülnek elküldésre.
A kvantumszámítógépek energiaigénye hőt termel, ami kihívást jelent, mivel ilyen alacsony hőmérsékleten kell működniük. A teleportáció olyan tervezési megoldásokhoz vezethet, amelyek felgyorsítják a kvantumszámítástechnika fejlődését.
3. Biológiai rendszer
Az emberi test, mint minden élőlény, folyamatosan változik milliónyi kémiai és biológiai folyamat kölcsönhatása következtében. Egészen a közelmúltig azt feltételezték, hogy lineárisak, az „A” pedig „B”-hez vezetett. A kvantumbiológia és a biofizika azonban hatalmas mennyiségű koherenciát tárt fel a biológiai rendszereken belül, amelyben a QE is szerepet játszik.
Ahogy a változatos alegységek fehérje szerkezetek össze vannak csomagolva, hogy lehetővé tegye a tartós kvantumösszefonódást és koherenciát. A kvantumbiológia még mindig elméleti téma, számos megválaszolatlan aggályokkal; ha foglalkoznak velük, az orvostudományban alkalmazott alkalmazások egyre láthatóbbá válnak.
A kvantumszámítás elméletben jobban hasonlíthat a természetre (az atomi kötés szimulálásával) és a kvantumbiológiai rendszerekre, mint a klasszikus számítógépek.
4. Szuperdenz kódolás
A szupersűrű kódolás az a módszer, amely két hagyományos információbitet egyetlen összefonódott qubit használatával továbbít. A szupersűrű kód:
- Lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy a klasszikus üzenet rekonstrukciójához szükséges mennyiség felét időben elküldje, így a felhasználó dupla sebességgel kommunikálhat, amíg az előre kézbesített qubitek el nem fogynak.
- Egy kétirányú kvantumcsatorna kapacitása egy irányban megduplázódik.
- Konvertálja a nagy késleltetésű sávszélességet alacsony késleltetésű sávszélességre úgy, hogy az adatok felét a nagy késleltetésű csatornán továbbítja, hogy támogassa az alacsony késleltetésű csatornán érkező adatokat.
A kommunikáció minden generációja több adatátvitelt igényel. A szupersűrű kódolással összehasonlítható információnövekedés érhető el.
Következtetés
A kvantumösszefonódás lehetővé teheti számunkra, hogy korábban elképzelhetetlen módon dolgozzunk az adatokkal. A kvantumszámítástechnika és az összefonódás integrálásával hatékonyabban és biztonságosabban tudunk választ adni a hatalmas mennyiségű adatot igénylő kérdésekre.
A biológiai és csillagászati alkalmazások hozzáadásával a QE felhasználható az emberek által régóta töprengett kérdések megválaszolására: honnan jöttünk, és hogyan kezdődött az egész?
Minél többet fejlődik a technológia, annál több alkalmazást fogunk találni rá – ez óriási ígéretekkel bír!
Hagy egy Válaszol