Բառը[Թաքցնել][Ցուցադրում]
Քվանտային հաշվարկը մշակում է տվյալները՝ օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի սկզբունքները: Արդյունքում քվանտային հաշվարկը պահանջում է այլ մոտեցում, քան դասական հաշվարկները: Քվանտային համակարգիչներում օգտագործվող պրոցեսորը այս տարբերակման օրինակներից մեկն է:
Մինչ ավանդական համակարգիչներն օգտագործում են սիլիցիումի վրա հիմնված պրոցեսորներ, քվանտային համակարգիչներն օգտագործում են քվանտային համակարգեր, ինչպիսիք են ատոմները, իոնները, ֆոտոնները կամ էլեկտրոնները: Նրանք օգտագործում են քվանտային հատկանիշներ՝ ներկայացնելու բիթերը, որոնք կարող են ստեղծվել 1 և 0 տարբեր քվանտային սուպերպոզիցիաներում:
Այսպիսով, կոնկրետ ի՞նչ է նշանակում «քվանտ» տերմինը այս համատեքստում: Արդյո՞ք դա նշանակալի թռիչք է:
Քվանտ տերմինը բխում է լատիներեն quantum բառից, որը նշանակում է «քանակ»։ Ֆիզիկայի մեջ դա «էներգիայի դիսկրետ քանակություն է, որը մեծությամբ համաչափ է իր ներկայացրած ճառագայթման հաճախականությանը»։ Դիսկրետը վերաբերում է մի բանի, որը ոչ շարունակական է, ոչ էլ հստակ: Քվանտը վերաբերում է այս իմաստով եզակի կամ նշանակալի քանակություններին:
Ի՞նչ է քվանտային հաշվարկը:
Քվանտային հաշվարկ օգտագործում է հանրահաշվական մեթոդներ՝ հաշվարկների համար ալգորիթմներ կառուցելու համար, որոնք հաճախ նույնն են կամ նման են քվանտային ֆիզիկայում օգտագործվողներին։ Քվանտային մեխանիկա, իր հերթին, վերաբերում է հիմնական ֆիզիկայի տեսությանը, որը սուզվում է բնության ֆիզիկական որակների բացատրության մեջ՝ ատոմների և ենթաատոմային մասնիկների չափերով:
A քվանտային համակարգիչ Այսպիսով, հիպոթետիկ համակարգիչ է, որն ընդունակ է իրականացնել նման ալգորիթմներ: Արդյունքում քվանտային համակարգիչները հիմնված են քվանտային բիթերի վրա, որոնք նաև հայտնի են որպես քյուբիթներ, որոնք կարող են ստեղծվել մեկ էլեկտրոնից:
Քվանտային նյութը վարվում է քվանտային մեխանիկայի կանոնների համաձայն՝ օգտագործելով այնպիսի հասկացություններ, ինչպիսիք են հավանականական հաշվարկը, սուպերպոզիցիան և խաչմերուկում. Այս գաղափարները հիմք են հանդիսանում քվանտային ալգորիթմների համար, որոնք օգտագործում են քվանտային համակարգիչների հնարավորությունները բարդ խնդիրներ լուծելու համար:
Այս հոդվածում ես կքննարկեմ այն ամենը, ինչ դուք պետք է իմանաք քվանտային խճճվածության մասին:
Ի՞նչ է քվանտային խճճվածությունը:
Քվանտային խճճվածությունը տեղի է ունենում, երբ երկու համակարգեր այնքան սերտորեն կապված են, որ մեկի մասին իմանալը տալիս է անմիջապես մյուսի մասին գիտելիքները, անկախ նրանից, թե որքան հեռու են դրանք միմյանցից:
Այնպիսի գիտնականներին, ինչպիսին Էյնշտեյնն է, շփոթեցրեց այս երևույթը, որը նա անվանեց «սարսափելի գործողություն հեռավորության վրա», քանի որ այն խախտում էր այն կանոնը, որ ոչ մի տեղեկություն չի կարող ուղարկվել լույսի արագությունից ավելի արագ: Ֆոտոնների և էլեկտրոնների օգտագործմամբ լրացուցիչ փորձերը, սակայն, հաստատեցին խճճվածությունը:
Խճճվածությունը քվանտային հաշվարկների հիմնաքարն է: Քվանտային խճճվածությունը ֆիզիկայում վերաբերում է քվանտային մասնիկների միջև խիստ ամուր կապին: Այս կապն այնքան ուժեղ է, որ երկու կամ ավելի քվանտային մասնիկներ կարող են անքակտելիորեն կապված լինել, մինչդեռ իրարից բաժանվում են հսկայական հեռավորություններով:
Սա ավելի լավ հասկանալու համար հաշվի առեք մի պարզ համեմատություն, որը կապված չէ ֆիզիկայի կամ հաշվարկի հետ: Մտածեք, թե ինչ կլիներ, եթե ոչ թե մեկ, այլ երկու մետաղադրամ նետվեր։ Սովորաբար, անկախ նրանից, թե մեկ մետաղադրամը ընկնում է գլխի կամ պոչերի վրա, քիչ ազդեցություն ունի մետաղադրամի երկրորդ նետման արդյունքի վրա:
Սակայն խճճվածության դեպքում երկու մասերն էլ կապված են կամ խճճվում՝ անկախ նրանից, թե դրանք ֆիզիկապես առանձնացված են։ Այս դեպքում, եթե մեկ մետաղադրամ ընկնի գլխի վրա, ապա երկրորդ մետաղադրամը նույնպես կցուցադրի գլուխներ և հակառակը:
Հասկանալով քվանտային խճճվածությունը (օրինակով)
Քվանտային խճճվածությունը իսկապես մի իրավիճակ է, երբ երկու համակարգեր (սովորաբար էլեկտրոններ կամ ֆոտոններ) այնքան սերտորեն կապված են, որ մի համակարգի «վիճակի» մասին տեղեկատվություն ստանալը (էլեկտրոնի սպինի ուղղությունը, ասենք «Վերև») կարող է ակնթարթային գիտելիքներ ստանալ մյուս համակարգի մասին: «վիճակ» (երկրորդ էլեկտրոնի սպինի ուղղությունը, ասենք «ներքև») անկախ նրանից, թե որքան հեռու են այդ համակարգերը:
Նշանակալի են «ակնթարթային» և «անկախ նրանից, թե որքան հեռու են դրանք» արտահայտությունները: Այս երևույթը տարակուսանքի մեջ է գցել Էյնշտեյնի նման գիտնականներին, քանի որ վիճակը չի սահմանվում այնքան ժամանակ, քանի դեռ այն չի չափվել, և տեղեկատվության փոխանցումը հակասում է դասական ֆիզիկայի կանոնին, ըստ որի տեղեկատվությունը չի կարող տեղափոխվել լույսի արագությունից ավելի արագ:
Այնուամենայնիվ, 1980-ականներից հետո ապացուցվել է, որ խճճվածությունը օգտագործում է և՛ ֆոտոններ, և՛ էլեկտրոններ՝ շնորհիվ 1980-ականներին սկսված հետազոտությունների և փորձարկման:
Երկու ենթաատոմային մասնիկներ (էլեկտրոններ) կարող են արտադրվել այնպես, որ դրանք նկարագրվեն մեկ ալիքային ֆունկցիայով։ Խճճվածությունը կարելի է ձեռք բերել մեկ մեթոդով՝ թույլ տալով, որ զրոյական պտույտներով մայր մասնիկը քայքայվի երկու խճճված դուստր մասնիկների՝ հավասար, բայց հակառակ պտույտներով:
Եթե երկու դուստր մասնիկներ չեն փոխազդում որևէ բանի հետ, նրանց ալիքային ֆունկցիաները կմնան հավասար և հակադիր, անկախ նրանից, թե որքան հեռու են դրանք չափվում: Գիտնականները թեստավորման միջոցով պարզել են, որ խճճվածության ժամանակը որևէ ազդեցություն չի ունեցել տեղեկատվության վրա:
Փոխարենը, տեղեկատվությունը մյուս մասնիկին ուղարկվում է լույսի արագությունից ավելի արագ արագությամբ միայն այն դեպքում, երբ չափվում է մեկ մասնիկի տեղեկատվությունը:
Արդյունքում ինֆորմացիան հոսում է այս տեմպերով։ Բայց մենք դրա վրա վերահսկողություն չունենք. վերահսկողության այս բացակայությունը սահմանափակում է Quantum Entanglement-ի օգտագործումը, ինչպես օրինակ՝ լույսի արագությունից ավելի արագ հաղորդագրություն կամ այլ տեղեկատվություն ուղարկելը:
Ի՞նչ դեր է խաղում խճճվածությունը քվանտային հաշվարկում:
Խճճված քյուբիթի վիճակի փոփոխությունն ակնթարթորեն փոխում է զուգակցված քյուբիթի վիճակը քվանտային համակարգիչներում: Արդյունքում խճճվածությունը արագացնում է քվանտային համակարգիչների մշակման արագությունը։
Քանի որ մեկ քյուբիթի մշակումը բացահայտում է բազմաթիվ քյուբիթների մասին տեղեկատվություն, քյուբիթների թվի կրկնապատկումը պարտադիր չէ, որ մեծացնի գործընթացների քանակը (այսինքն՝ խճճված քյուբիթները):
Քվանտային խճճվածությունը, ըստ ուսումնասիրությունների, պահանջվում է քվանտային ալգորիթմի համար դասական հաշվարկների նկատմամբ էքսպոնենցիալ արագացում ապահովելու համար:
Խճճվածության կիրառությունները քվանտային հաշվարկում
Մի քանի հավելվածներ կարող են օգտվել այս եզակի ֆիզիկական հատկանիշից, որը կփոխի մեր ներկան և ապագան: Քվանտային գաղտնագրումը, գերխիտ կոդավորումը, գուցե լույսից ավելի արագ փոխանցումը և նույնիսկ հեռահաղորդումը կարող են հնարավոր լինել խճճվածության պատճառով:
Քվանտային համակարգիչները հնարավորություն ունեն հաղթահարելու ժամանակի և էներգիայի ինտենսիվ մարտահրավերները մշակելու տարբեր ոլորտներում, ներառյալ ֆինանսները և բանկային գործերը:
Քվանտային խճճվածությունը մի երևույթ է, որը կարող է օգնել այդպիսի համակարգիչներին՝ նվազեցնելով ժամանակի և մշակման հզորությունը, որն անհրաժեշտ է տվյալների հոսքը կարգավորելու համար նրանց քյուբիթների միջև:
1. Քվանտային ծածկագրություն
Դասական ծածկագրության մեջ ուղարկողը կոդավորում է հաղորդագրությունը մեկ բանալիով, մինչդեռ ստացողը այն վերծանում է ընդհանուր բանալիով։ Այնուամենայնիվ, վտանգ կա, որ երրորդ կողմը գիտելիքներ ձեռք կբերի բանալիների մասին և կկարողանա գաղտնալսել և խաթարել ծածկագրությունը:
Երկու կողմերի միջև անվտանգ ալիքի ստեղծումը անկոտրում ծածկագրության հիմնաքարն է: Խճճվածությունը կարող է դա առաջացնել: Քանի որ երկու համակարգերը խճճված են, դրանք փոխկապակցված են միմյանց հետ (երբ մեկը փոխվում է, փոխվում է նաև մյուսը), և ոչ մի երրորդ կողմ չի կիսի այս հարաբերակցությունը:
Քվանտային գաղտնագրությունը նույնպես շահում է ոչ կլոնավորումից, ինչը նշանակում է, որ անհնար է ստեղծել անհայտ քվանտային վիճակի նույնական կրկնօրինակ: Արդյունքում անհնար է կրկնօրինակել քվանտային վիճակում կոդավորված տվյալները։
Քվանտային բանալիների անթափանց բաշխմամբ քվանտային գաղտնագրությունն արդեն իրականացվել է (QKD): QKD-ն օգտագործում է պատահականորեն բևեռացված ֆոտոններ՝ բանալիի մասին տեղեկություն հաղորդելու համար: Ստացողը վերծանում է բանալին՝ օգտագործելով բևեռացնող զտիչներ և հաղորդագրությունը կոդավորելու տեխնիկան:
Գաղտնի տվյալները դեռ փոխանցվում են ստանդարտ կապի գծերի միջոցով, բայց միայն ճշգրիտ քվանտային բանալին կարող է վերծանել հաղորդագրությունը: Քանի որ բևեռացված ֆոտոնները «կարդալով» փոխում են դրանց վիճակը, ցանկացած գաղտնալսում հաղորդակիցներին ահազանգում է ներխուժման մասին:
QKD տեխնոլոգիան ներկայումս սահմանափակված է օպտիկամանրաթելային մալուխով, որը կարող է ֆոտոն փոխանցել մոտ 100 կմ հեռավորության վրա՝ նախքան ընդունելու համար չափազանց թույլ դառնալը: 2004 թվականին Ավստրիայում տեղի ունեցավ առաջին խճճված QKD բանկային փոխանցումը:
Ապահովել, որ ֆիզիկական սկզբունքների վրա հիմնված անխափան և կեղծիքից պաշտպանված հաղորդակցությունների փոխանցումը ակնհայտ կիրառություն ունի ֆինանսական, բանկային, ռազմական, բժշկական և այլ ոլորտներում: Մի քանի ձեռնարկություններ այժմ օգտագործում են խճճված QKD:
2. Քվանտային տելեպորտացիա
Քվանտային տելեպորտացիան նաև քվանտային տեղեկատվության փոխանցման մեթոդ է երկու կողմերի միջև, ինչպիսիք են ֆոտոնները, ատոմները, էլեկտրոնները և գերհաղորդիչ սխեմաները: Հետազոտության համաձայն՝ հեռահաղորդումը թույլ է տալիս QC-ներին զուգահեռ աշխատել՝ միաժամանակ ավելի քիչ էլեկտրաէներգիա օգտագործելով՝ նվազեցնելով էներգիայի սպառումը 100-ից 1000 անգամ:
Քվանտային հեռահաղորդակցության և քվանտային ծածկագրության միջև տարբերությունը հետևյալն է.
- Քվանտային տելեպորտացիայի փոխանակում Դասական ալիքով «քվանտային» տեղեկատվություն է ուղարկվում:
- Քվանտային ծածկագրության փոխանակում Քվանտային ալիքով «դասական» տեղեկատվություն է ուղարկվում:
Քվանտային համակարգիչների էներգիայի կարիքները առաջացնում են ջերմություն, ինչը մարտահրավեր է, հաշվի առնելով, որ դրանք պետք է աշխատեն նման ցածր ջերմաստիճաններում: Հեռահաղորդումը կարող է հանգեցնել նախագծային լուծումների, որոնք կարագացնեն քվանտային հաշվարկների զարգացումը:
3. Կենսաբանական համակարգ
Մարդու մարմինը, ինչպես բոլոր արարածները, անընդհատ փոփոխվում է միլիոնավոր քիմիական և կենսաբանական գործընթացների փոխազդեցության պատճառով: Մինչև վերջերս ենթադրվում էր, որ դրանք գծային են՝ «A»-ն տանում է դեպի «B»: Այնուամենայնիվ, քվանտային կենսաբանությունը և կենսաֆիզիկան բացահայտել են կենսաբանական համակարգերի ներսում հսկայական համահունչություն, որի դերն ունի QE-ն:
Ճանապարհը բազմազան ենթամիավորների սպիտակուցային կառուցվածքներ դրանք փաթեթավորված են միասին, մշակված է, որպեսզի թույլ տա կայուն քվանտային խճճվածություն և համահունչություն: Քվանտային կենսաբանությունը դեռևս տեսական թեմա է՝ տարբեր անպատասխան մտահոգություններով. երբ դրանք լուծվեն, բժշկության մեջ կիրառությունները գնալով ավելի տեսանելի կդառնան:
Քվանտային հաշվարկները, տեսականորեն, կարող են ավելի լավ նմանվել բնությանը (ատոմային կապը նմանակելով) և քվանտային կենսաբանական համակարգերին, քան դասական համակարգիչները:
4. Գերխիտ կոդավորում
Գերխիտ կոդավորումը տեղեկատվության երկու պայմանական բիթերի փոխանցման մեթոդ է՝ օգտագործելով մեկ խճճված քյուբիթ: Գերխիտ ծածկագիրը կարող է.
- Թույլ է տալիս օգտատիրոջը ժամանակից շուտ ուղարկել դասական հաղորդագրությունը վերակառուցելու համար անհրաժեշտի կեսը՝ թույլ տալով օգտվողին հաղորդակցվել կրկնակի արագությամբ, մինչև որ նախապես տրամադրված քյուբիթները սպառվեն:
- Երկկողմանի քվանտային ալիքի հզորությունը մեկ ուղղությամբ կրկնապատկվում է:
- Բարձր հետաձգման թողունակությունը փոխարկեք ցածր հետաձգման թողունակության՝ փոխանցելով տվյալների կեսը բարձր լատենտային կապուղու վրա՝ աջակցելու ցածր հետաձգման ալիքով եկող տվյալներին:
Հաղորդակցության յուրաքանչյուր սերունդ կոչ է արել ավելի շատ տվյալների փոխանցմանը: Տեղեկատվության համեմատելի ձեռքբերում հնարավոր կլինի գերխիտ կոդավորման միջոցով:
Եզրափակում
Քվանտային խճճվածությունը կարող է թույլ տալ մեզ աշխատել տվյալների հետ նախկինում աներևակայելի ձևերով: Միավորելով քվանտային հաշվարկը խճճվածության հետ՝ մենք կկարողանանք ավելի արդյունավետ և անվտանգ կերպով պատասխանել այն հարցերին, որոնք պահանջում են հսկայական քանակությամբ տվյալներ:
Կենսաբանական և աստղագիտական կիրառությունների ավելացումով QE-ն կարող է օգտագործվել պատասխանելու այն հարցերին, որոնց մասին մարդիկ երկար ժամանակ մտածել են. որտեղի՞ց ենք մենք եկել և ինչպե՞ս է ամեն ինչ սկսվել:
Որքան շատ տեխնոլոգիաների առաջընթացը, այնքան ավելի շատ հավելվածներ մենք կգտնենք դրա համար. դա հսկայական խոստումներ ունի:
Թողնել գրառում