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Il calcolo quantistico elabora i dati utilizzando i principi della meccanica quantistica. Di conseguenza, l'informatica quantistica richiede un approccio diverso rispetto all'informatica classica. Il processore utilizzato nei computer quantistici è un esempio di questa distinzione.
Mentre i computer tradizionali utilizzano processori a base di silicio, i computer quantistici utilizzano sistemi quantistici come atomi, ioni, fotoni o elettroni. Impiegano caratteristiche quantistiche per rappresentare bit che possono essere creati in varie sovrapposizioni quantistiche di 1 e 0.
Quindi, cosa significa esattamente il termine "quantum" in questo contesto? È un salto di qualità?
Il termine quantum deriva dalla parola latina quantum, che significa “quantità”. È una "quantità discreta di energia proporzionale in grandezza alla frequenza della radiazione che rappresenta" in fisica. Discreto si riferisce a qualcosa che non è né continuo né distinto. Quantum si riferisce a importi unici o significativi in questo senso.
Cos'è il quantum computing?
Calcolo quantistico sta usando metodi algebrici per costruire algoritmi per i calcoli, che sono spesso gli stessi o simili a quelli usati nella fisica quantistica. La meccanica quantistica, a sua volta, si riferisce a una teoria fisica di base che si tuffa nella spiegazione delle qualità fisiche della natura alle dimensioni degli atomi e delle particelle subatomiche.
A computer quantistico è quindi un ipotetico computer in grado di implementare tali algoritmi. Di conseguenza, i computer quantistici sono fondamentalmente basati su bit quantistici, noti anche come qubit, che possono essere creati da un singolo elettrone.
Il materiale quantistico si comporta secondo le regole della meccanica quantistica, facendo uso di nozioni come calcolo probabilistico, sovrapposizione e aggrovigliamento. Queste idee servono come base per gli algoritmi quantistici, che utilizzano le capacità dei computer quantistici per affrontare problemi complicati.
In questo articolo, discuterò tutto ciò che devi sapere sull'entanglement quantistico.
Cos'è l'entanglement quantistico?
L'entanglement quantistico si verifica quando due sistemi sono così strettamente collegati che conoscerne uno ti dà una conoscenza immediata dell'altro, non importa quanto siano distanti.
Scienziati come Einstein sono rimasti sconcertati da questo fenomeno, che ha soprannominato "un'azione spettrale a distanza" poiché ha infranto la regola secondo cui nessuna informazione può essere inviata più velocemente della velocità della luce. Ulteriori esperimenti che utilizzano fotoni ed elettroni, tuttavia, hanno verificato l'entanglement.
L'entanglement è la pietra angolare dell'informatica quantistica. L'entanglement quantistico in fisica si riferisce a un legame molto forte tra le particelle quantistiche. Questa connessione è così forte che due o più particelle quantistiche possono essere inesorabilmente connesse pur essendo separate da enormi distanze.
Per comprendere ulteriormente questo, considera un semplice confronto che non è correlato alla fisica o all'informatica. Considera cosa accadrebbe se non una, ma due monete venissero lanciate. Di solito, se una moneta esce testa o croce ha poca influenza sull'esito del secondo lancio della moneta.
Tuttavia, nel caso di entanglement, entrambe le parti sono collegate o aggrovigliate, indipendentemente dal fatto che siano fisicamente separate. In questo caso, se una moneta esce testa, anche la seconda moneta mostrerà testa e viceversa.
Comprensione dell'entanglement quantistico (con esempio)
L'entanglement quantistico è infatti una situazione in cui due sistemi (tipicamente elettroni o fotoni) sono così strettamente collegati che acquisire informazioni sullo "stato" di un sistema (la direzione dello spin dell'elettrone, diciamo "Su") produrrebbe una conoscenza istantanea dello "stato" dell'altro sistema "stato" (la direzione di rotazione del secondo elettrone, diciamo "Giù") indipendentemente dalla distanza tra questi sistemi.
Le frasi "istantaneo" e "indipendentemente da quanto siano distanti" sono significative. Questo fenomeno ha lasciato perplessi scienziati come Einstein, dal momento che lo stato non è definito fino a quando non viene misurato e la trasmissione di informazioni sfida la regola fisica classica secondo cui le informazioni non possono essere trasportate più velocemente della velocità della luce.
Tuttavia, è stato dimostrato che l'entanglement utilizza sia fotoni che elettroni sin dagli anni '1980, grazie alla ricerca e ai test iniziati negli anni '1980.
Due particelle subatomiche (elettroni) possono essere prodotte in modo che possano essere descritte da una singola funzione d'onda. L'entanglement può essere ottenuto in un metodo consentendo a una particella madre con zero spin di decadere in due particelle figlie aggrovigliate con spin uguali ma opposti.
Se due particelle figlie non interagiscono con nulla, le loro funzioni d'onda rimarranno uguali e opposte, non importa quanto distanti siano misurate. Gli scienziati hanno determinato tramite test che il tempo dell'entanglement non ha avuto alcun impatto sulle informazioni.
Invece, le informazioni vengono inviate all'altra particella a una velocità superiore alla velocità della luce solo quando vengono misurate le informazioni di una particella.
Di conseguenza, le informazioni fluiscono a questo ritmo. Ma non abbiamo alcun controllo su di esso: questa mancanza di controllo limita gli usi del Quantum Entanglement, come l'invio di un messaggio o altre informazioni più velocemente della velocità della luce.
Che ruolo gioca l'entanglement nel calcolo quantistico?
La modifica dello stato di un qubit entangled cambia istantaneamente lo stato del qubit accoppiato nei computer quantistici. Di conseguenza, l'entanglement accelera la velocità di elaborazione dei computer quantistici.
Poiché l'elaborazione di un qubit rivela informazioni su numerosi qubit, il raddoppio del numero di qubit non aumenta necessariamente il numero di processi (ad esempio, i qubit entangled).
L'entanglement quantistico, secondo gli studi, è necessario affinché un algoritmo quantistico fornisca un'accelerazione esponenziale rispetto ai calcoli classici.
Applicazioni di entanglement nell'informatica quantistica
Diverse applicazioni possono beneficiare di questa caratteristica fisica unica, che altererà il nostro presente e futuro. La crittografia quantistica, la codifica superdensa, forse una trasmissione più veloce della luce e persino il teletrasporto potrebbero essere tutti abilitati dall'entanglement.
I computer quantistici hanno il potenziale per affrontare sfide ad alta intensità di tempo e di elaborazione in una varietà di settori, inclusi finanza e banche.
L'entanglement quantistico è un fenomeno che potrebbe aiutare tali computer riducendo la quantità di tempo e la potenza di elaborazione richiesta per gestire il flusso di dati tra i loro qubit.
1. Crittografia quantistica
Nella crittografia classica, il mittente codifica il messaggio con una chiave, mentre il destinatario lo decodifica con la chiave condivisa. Tuttavia, esiste il pericolo che una terza parte ottenga conoscenza delle chiavi e sia in grado di intercettare e minare la crittografia.
La creazione di un canale sicuro tra le due parti è la pietra angolare della crittografia infrangibile. L'entanglement può causare questo. Poiché i due sistemi sono intrecciati, sono correlati tra loro (quando uno cambia, cambia anche l'altro) e nessuna terza parte condividerà questa correlazione.
La crittografia quantistica beneficia anche della non clonazione, il che significa che è impossibile generare una replica identica di uno stato quantistico sconosciuto. Di conseguenza, è impossibile replicare i dati codificati in uno stato quantistico.
Con una distribuzione di chiavi quantistiche impenetrabile, la crittografia quantistica è già stata realizzata (QKD). QKD utilizza fotoni polarizzati casualmente per comunicare informazioni sulla chiave. Il destinatario decifra la chiave utilizzando filtri polarizzanti e la tecnica utilizzata per crittografare il messaggio.
I dati segreti vengono ancora trasferiti attraverso linee di comunicazione standard, ma solo l'esatta chiave quantistica può decodificare il messaggio. Poiché "leggere" i fotoni polarizzati cambia i loro stati, qualsiasi intercettazione avverte i comunicatori dell'intrusione.
La tecnologia QKD è attualmente vincolata dal cavo in fibra ottica, che può fornire un fotone per circa 100 km prima di diventare troppo debole per essere ricevuto. Nel 2004, il primo bonifico bancario QKD entangled è avvenuto in Austria.
Garantire che la trasmissione di comunicazioni infrangibili e a prova di manomissione che siano dimostrabili sicure sulla base di principi fisici ha ovvie applicazioni nei settori finanziario, bancario, militare, medico e di altro tipo. Diverse aziende stanno ora utilizzando QKD entangled.
2. Teletrasporto quantistico
Il teletrasporto quantistico è anche il metodo per trasmettere informazioni quantistiche tra due parti, come fotoni, atomi, elettroni e circuiti superconduttori. Secondo la ricerca, il teletrasporto consente ai QC di funzionare in parallelo utilizzando meno elettricità, riducendo il consumo di energia da 100 a 1000 volte.
La distinzione tra teletrasporto quantistico e crittografia quantistica è la seguente:
- Scambi di teletrasporto quantistico Attraverso un canale classico, vengono inviate informazioni “quantistiche”.
- Scambi di crittografia quantistica Attraverso un canale quantistico vengono inviate informazioni “classiche”.
Il fabbisogno energetico dei computer quantistici genera calore, il che è una sfida dato che devono funzionare a temperature così basse. Il teletrasporto ha il potenziale per portare a soluzioni di progettazione che accelereranno lo sviluppo dell'informatica quantistica.
3. Sistema biologico
Il corpo umano, come tutte le creature, cambia continuamente a causa dell'interazione di milioni di processi chimici e biologici. Fino a poco tempo, si presumeva che fossero lineari, con "A" che portava a "B". Tuttavia, la biologia quantistica e la biofisica hanno scoperto un'enorme quantità di coerenza all'interno dei sistemi biologici, con il QE che gioca un ruolo.
Il modo in cui le diverse subunità di strutture proteiche sono impacchettati insieme è sviluppato per consentire un entanglement e una coerenza quantistici sostenuti. La biologia quantistica è ancora un argomento teorico con varie preoccupazioni senza risposta; quando saranno affrontati, le applicazioni in medicina diventeranno sempre più visibili.
Il calcolo quantistico, in teoria, potrebbe assomigliare meglio alla natura (simulando il legame atomico) e ai sistemi biologici quantistici rispetto ai computer classici.
4. Codifica superdensa
La codifica superdensa è il metodo per trasmettere due bit di informazioni convenzionali utilizzando un singolo qubit entangled. Il codice super-denso può:
- Consente all'utente di inviare metà di ciò che è necessario per ricostruire un messaggio classico in anticipo, consentendo all'utente di comunicare a velocità doppia fino all'esaurimento dei qubit pre-consegnati.
- La capacità di un canale quantistico a due vie in una direzione è raddoppiata.
- Converti la larghezza di banda ad alta latenza in larghezza di banda a bassa latenza trasmettendo metà dei dati sul canale ad alta latenza per supportare i dati in arrivo sul canale a bassa latenza.
Ogni generazione di comunicazione ha richiesto un maggiore trasferimento di dati. Un guadagno comparabile di informazioni sarà possibile con la codifica superdensa.
Conclusione
L'entanglement quantistico può permetterci di lavorare con i dati in modi prima inimmaginabili. Integrando il calcolo quantistico con l'entanglement, saremo in grado di rispondere a problemi che richiedono un'enorme quantità di dati in modo più efficiente e sicuro.
Con l'aggiunta di applicazioni biologiche e astronomiche, il QE potrebbe essere utilizzato per rispondere ai problemi su cui gli esseri umani hanno a lungo meditato: da dove veniamo e come è iniziato tutto?
Più la tecnologia avanza, più applicazioni troveremo per questo: ha un'enorme promessa!
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