Skammtatölvun vinnur úr gögnum með meginreglum skammtafræðinnar. Fyrir vikið krefst skammtatölvuna aðra nálgun en klassísk tölfræði. Örgjörvinn sem notaður er í skammtatölvum er eitt dæmi um þessa greinarmun.
Þar sem hefðbundnar tölvur nota kísil-undirstaða örgjörva, nota skammtatölvur skammtakerfi eins og atóm, jónir, ljóseindir eða rafeindir. Þeir nota skammtaeiginleika til að tákna bita sem geta verið búnir til í ýmsum skammtasamsetningum 1 og 0.
Svo, hvað þýðir hugtakið „skammtafræði“ nákvæmlega í þessu samhengi? Er það verulegt stökk?
Hugtakið skammtafræði er dregið af latneska orðinu quantum, sem þýðir „magn“. Það er „aðskilið magn orku sem er í réttu hlutfalli við tíðni geislunarinnar sem það táknar“ í eðlisfræði. Stöðugt vísar til eitthvað sem er hvorki samfellt né aðgreint. Skammtafræði vísar til einstakra eða verulegra magna í þessum skilningi.
Hvað er skammtafræði?
Skammtafræði er að nota algebruaðferðir til að búa til reiknirit fyrir útreikninga, sem eru oft eins eða svipuð og notuð eru í skammtaeðlisfræði. Skammtafræði vísar aftur á móti til grunneðlisfræðikenningar sem kafar ofan í útskýringar á eðlisfræðilegum eiginleikum náttúrunnar á stærð við atóm og subatomic agnir.
A skammtatölvu er því ímynduð tölva sem getur útfært slík reiknirit. Fyrir vikið eru skammtatölvur í grundvallaratriðum byggðar á skammtabitum, einnig þekktum sem qubitum, sem geta verið búnar til úr einni rafeind.
Skammtaefnið hegðar sér í samræmi við reglur skammtafræðinnar og notar hugtök eins og líkindareikninga, yfirsetningar og flækjum. Þessar hugmyndir þjóna sem grunnur að skammtafræðireikniritum, sem nota getu skammtatölva til að takast á við flókin vandamál.
Í þessari grein mun ég ræða allt sem þú þarft að vita um skammtafræðiflækju.
Hvað er skammtaaflækjur?
Skammtaflækja á sér stað þegar tvö kerfi eru svo nátengd að það að vita af öðru veitir þér strax þekkingu á hinu, sama hversu langt á milli þeirra er.
Vísindamenn eins og Einstein voru undrandi yfir þessu fyrirbæri, sem hann kallaði „ógnvekjandi aðgerð í fjarlægð“ þar sem það braut þá reglu að engar upplýsingar megi senda hraðar en ljóshraða. Viðbótartilraunir með ljóseindum og rafeindum staðfestu hins vegar flækju.
Flækja er hornsteinn skammtafræðinnar. Skammtaflækja í eðlisfræði vísar til mjög sterkra tengsla milli skammtaeinda. Þessi tenging er svo sterk að tvær eða fleiri skammtafræðilegar agnir geta tengst óumflýjanlega á meðan þær eru aðskildar með gríðarlegum fjarlægðum.
Til að skilja þetta frekar skaltu íhuga einfaldan samanburð sem tengist ekki eðlisfræði eða tölvumálum. Hugleiddu hvað myndi gerast ef ekki einum, heldur tveimur peningum væri kastað. Venjulega, hvort ein mynt lendir á hausum eða skottum hefur lítið að segja um niðurstöðu seinni myntkastsins.
Hins vegar, þegar um flækju er að ræða, eru báðir hlutar tengdir eða flæktir, óháð því hvort þeir eru líkamlega aðskildir. Í þessu tilviki, ef ein myntin lendir á hausum, mun önnur myntin sömuleiðis sýna höfuð, og öfugt.
Að skilja skammtaaflækju (með dæmi)
Skammtaflækja er í raun ástand þar sem tvö kerfi (venjulega rafeindir eða ljóseindir) eru svo nátengd að öflun upplýsinga um „ástand“ annars kerfisins (átt rafeindarinnar snúist, segjum „upp“) myndi gefa tafarlausa þekkingu á hinu kerfinu. „ástand“ (áttin á snúningi annarrar rafeindarinnar, segjum „niður“) óháð því hversu langt á milli þessi kerfi eru.
Setningarnar „augnablik“ og „óháð því hversu langt á milli þeirra er“ eru mikilvægar. Þetta fyrirbæri hefur valdið forvitni vísindamanna eins og Einstein, þar sem ástandið er ekki skilgreint fyrr en það er mælt, og upplýsingasending stangast á við klassíska eðlisfræðiregluna um að upplýsingar megi ekki flytja hraðar en ljóshraða.
Hins vegar hefur verið sannað að flæking notar bæði ljóseindir og rafeindir síðan á níunda áratugnum, þökk sé rannsóknum og prófunum sem hófust á níunda áratugnum.
Hægt er að framleiða tvær undiratómar agnir (rafeindir) þannig að hægt sé að lýsa þeim með einni bylgjuaðgerð. Hægt er að ná flækju með einni aðferð með því að leyfa móðurögn með núll snúninga að rotna í tvær flæktar dótturagnir með jafna en gagnstæða snúninga.
Ef tvær dótturagnir hafa ekki samskipti við neitt, munu bylgjuföll þeirra haldast jöfn og andstæð, sama hversu langt á milli þeirra er mælt. Vísindamenn ákváðu með prófunum að tími flækju hefði engin áhrif á upplýsingarnar.
Þess í stað eru upplýsingar sendar til hinnar ögnarinnar á hraða hraðar en ljóshraða aðeins þegar upplýsingar einnar ögn eru mældar.
Þess vegna streyma upplýsingar á þessum hraða. En við höfum enga stjórn á því - þessi skortur á eftirliti takmarkar notkun Quantum Entanglement, eins og að senda skilaboð eða aðrar upplýsingar hraðar en ljóshraða.
Hvaða hlutverki gegnir flækja í skammtafræði?
Að breyta ástandi flækts qubits breytir samstundis ástandi paraða qubitsins í skammtatölvum. Afleiðingin er sú að flækja flýtir fyrir vinnsluhraða skammtatölva.
Þar sem vinnsla á einum qubit leiðir í ljós upplýsingar um fjölmarga qubita, eykur tvöföldun fjölda qubita ekki endilega fjölda ferla (þ.e. flækju qubits).
Skammtaflækja, samkvæmt rannsóknum, er nauðsynleg til að skammtareiknirit geti skilað veldishraða yfir klassíska útreikninga.
Flækjuforrit í skammtafræði
Nokkur forrit geta notið góðs af þessum einstaka líkamlega eiginleika, sem mun breyta nútíð okkar og framtíð. Skammta dulkóðun, ofurþétt kóðun, kannski hraðari en ljós sending, og jafnvel fjarflutningur gæti allt verið virkjað með flækju.
Skammtatölvur hafa tilhneigingu til að takast á við tíma- og vinnslu stórfrekar áskoranir í ýmsum atvinnugreinum, þar á meðal fjármálum og bankastarfsemi.
Skammtaflækja er fyrirbæri sem gæti hjálpað slíkum tölvum með því að draga úr tíma og vinnsluorku sem þarf til að sjá um gagnaflæði á milli qubita þeirra.
1. Skammta dulritun
Í klassískri dulritun kóðar sendandinn skilaboðin með einum lykli en viðtakandinn afkóðar þau með sameiginlega lyklinum. Hins vegar er hætta á að þriðji aðili fái vitneskju um lyklana og geti stöðvað og grafið undan dulmáli.
Að búa til örugga rás milli aðila tveggja er hornsteinn óbrjótandi dulmáls. Flækja getur valdið þessu. Þar sem kerfin tvö eru flækt eru þau í tengslum við hvert annað (þegar annað breytist breytist hitt líka), og enginn þriðji aðili mun deila þessari fylgni.
Skammtadulkóðun nýtur einnig góðs af engum klónun, sem þýðir að það er ómögulegt að búa til eins eftirmynd af óþekktu skammtaástandi. Fyrir vikið er ómögulegt að endurtaka gögn kóðuð í skammtafræðilegu ástandi.
Með órjúfanlegri skammtalykladreifingu hefur skammtadulkóðun þegar verið að veruleika (QKD). QKD notar tilviljunarkenndar skautaðar ljóseindir til að miðla upplýsingum um lykilinn. Viðtakandinn leysir lykilinn með því að nota skautunarsíur og tækni sem notuð er til að dulkóða skilaboðin.
Leynigögnin eru enn flutt í gegnum venjulegar samskiptalínur, en aðeins nákvæmur skammtalykill getur afkóðað skilaboðin. Vegna þess að „lestur“ skautuðu ljóseindanna breytir ástandi þeirra, gerir hvers kyns hlerun boðberum viðvart um innrásina.
QKD tækni er eins og er takmörkuð af ljósleiðara, sem getur skilað ljóseind í um 100 km áður en hann verður of daufur til að taka á móti. Árið 2004 átti fyrsta QKD bankamillifærslan sér stað í Austurríki.
Að ganga úr skugga um að sending óbrjótanlegra og óviðráðanlegra fjarskipta, sem sannanlega eru örugg byggð á eðlisfræðilegum meginreglum, á augljóslega við í fjármálum, bankastarfsemi, hernaði, læknisfræði og öðrum geirum. Nokkur fyrirtæki nota nú flækt QKD.
2. Skammtarfjarflutningur
Skammta fjarflutningur er einnig aðferðin til að senda skammtaupplýsingar milli tveggja aðila, svo sem ljóseinda, atóma, rafeinda og ofurleiðandi hringrása. Samkvæmt rannsóknum gerir fjarflutningur QCs kleift að keyra samhliða meðan þeir nota minna rafmagn sem lækkar orkunotkun um 100 til 1000 sinnum.
Munurinn á skammta fjarflutningi og skammtadulkóðun er sem hér segir:
- Skipti á skammtaflutningi Yfir klassíska rás eru „skammtafræðilegar“ upplýsingar sendar.
- Skipti á skammtadulritun Yfir skammtarás eru „klassískar“ upplýsingar sendar.
Aflþörf skammtatölva mynda hita, sem er áskorun í ljósi þess að þær verða að starfa við svo lágt hitastig. Fjarflutningur hefur tilhneigingu til að leiða til hönnunarlausna sem munu flýta fyrir þróun skammtafræði.
3. Líffræðilegt kerfi
Mannslíkaminn, eins og allar skepnur, er stöðugt að breytast vegna samspils milljóna efna- og líffræðilegra ferla. Þar til nýlega var gert ráð fyrir að þau væru línuleg þar sem „A“ leiddi til „B“. Hins vegar hafa skammtalíffræði og lífeðlisfræði afhjúpað gríðarlegt magn af samhengi inni í líffræðilegum kerfum, þar sem QE gegnir hlutverki.
Hvernig hinar fjölbreyttu undireiningar af próteinbyggingar er pakkað saman er þróað til að gera ráð fyrir viðvarandi skammtafræðilegri flækju og samhengi. Skammtalíffræði er enn fræðilegt efni með ýmsum áhyggjum sem ósvarað er; þegar tekið er á þeim verða umsóknir í læknisfræði æ sýnilegri.
Fræðilega séð gæti skammtafræði líkt betur náttúrunni (með því að líkja eftir atómtengingu) og skammtalíffræðilegum kerfum en klassískum tölvum.
4. Superdense kóðun
Superdense kóðun er aðferðin til að senda tvo hefðbundna upplýsingabita með því að nota einn flækjulegan qubit. Kóði sem er ofurþéttur getur:
- Leyfir notandanum að senda helming af því sem þarf til að endurgera klassísk skilaboð fyrirfram, sem gerir notandanum kleift að hafa samskipti á tvöföldum hraða þar til fyrirfram afhentir qubits klárast.
- Afkastageta tvíhliða skammtarásar í eina átt tvöfaldast.
- Umbreyttu bandbreidd með mikilli biðtíma í bandbreidd með litla biðtíma með því að senda helming gagnanna yfir rásina með mikla biðtíma til að styðja við gögnin sem koma inn yfir rásina með lága biðtíma.
Hver kynslóð samskipta hefur kallað á meiri gagnaflutning. Sambærilegur ávinningur í upplýsingum verður mögulegur með ofurþéttri kóðun.
Niðurstaða
Skammtaflækja gæti gert okkur kleift að vinna með gögn á áður óhugsandi hátt. Með því að samþætta skammtatölvun við flækju, munum við geta svarað málum sem krefjast gríðarlegt magn af gögnum á skilvirkari og öruggari hátt.
Með því að bæta við líffræðilegum og stjarnfræðilegum forritum gæti QE verið notað til að svara þeim málum sem menn hafa lengi velt fyrir sér: hvaðan komum við og hvernig byrjaði þetta allt?
Því meiri tækniframfarir, því fleiri forrit sem við finnum fyrir það - það lofar gríðarlegum árangri!
Skildu eftir skilaboð