מחשוב קוונטי מעבד נתונים תוך שימוש בעקרונות של מכניקת הקוונטים. כתוצאה מכך, מחשוב קוונטי דורש גישה שונה ממחשוב קלאסי. המעבד המשמש במחשבים קוונטיים הוא דוגמה אחת להבחנה זו.
בעוד שמחשבים מסורתיים משתמשים במעבדים מבוססי סיליקון, מחשבים קוונטיים משתמשים במערכות קוונטיות כמו אטומים, יונים, פוטונים או אלקטרונים. הם משתמשים בתכונות קוונטיות כדי לייצג ביטים שעלולים להיווצר בסופרפוזיציות קוונטיות שונות של 1 ו-0.
אז מה בדיוק אומר המונח "קוונטי" בהקשר הזה? האם זו קפיצת מדרגה משמעותית?
המונח קוואנטום נובע מהמילה הלטינית quantum, שפירושה "כמות". זוהי 'כמות נפרדת של אנרגיה פרופורציונלית בגודלה לתדירות הקרינה שהיא מייצגת' בפיזיקה. דיסקרטי מתייחס למשהו שאינו רציף ואינו מובחן. קוואנטום מתייחס לסכומים ייחודיים או משמעותיים במובן זה.
מהו מחשוב קוונטי?
מחשוב קוונטי משתמש בשיטות אלגבריות לבניית אלגוריתמים לחישובים, שלעתים קרובות זהים או דומים לאלה המשמשים בפיזיקה הקוונטית. מכניקת הקוונטים, בתורה, מתייחסת לתיאוריית פיזיקה בסיסית שצוללת לתוך ההסבר של התכונות הפיזיקליות של הטבע בגודל של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים.
A מחשב קוונטי הוא אם כן מחשב היפותטי המסוגל ליישם אלגוריתמים כאלה. כתוצאה מכך, מחשבים קוונטיים מבוססים ביסודם על ביטים קוונטיים, הידועים גם כקיוביטים, אשר עשויים להיווצר מאלקטרון בודד.
החומר הקוונטי מתנהג על פי כללי מכניקת הקוונטים, עושה שימוש במושגים כמו חישוב הסתברותי, סופרפוזיציה ו הסתבכות. רעיונות אלו משמשים כבסיס לאלגוריתמים קוונטיים, המשתמשים ביכולות של מחשבים קוונטיים כדי להתמודד עם בעיות מסובכות.
במאמר זה, אדון בכל מה שאתה צריך לדעת על הסתבכות קוונטית.
מהי הסתבכות קוונטית?
הסתבכות קוונטית מתרחשת כאשר שתי מערכות קשורות כל כך הדוק שהידיעה על אחת מעניקה לך ידע מיידי על השנייה, לא משנה כמה הן רחוקות זו מזו.
מדענים כמו איינשטיין היו מבולבלים מהתופעה הזו, שאותה כינה "פעולה מפחידה מרחוק", שכן היא הפרה את הכלל לפיו אין אפשרות לשלוח מידע מהר יותר ממהירות האור. עם זאת, ניסויים נוספים באמצעות פוטונים ואלקטרונים אימתו הסתבכות.
הסתבכות היא אבן היסוד של מחשוב קוונטי. הסתבכות קוונטית בפיזיקה מתייחסת לקשר חזק מאוד בין חלקיקים קוונטיים. הקשר הזה הוא כל כך חזק שאפשר לחבר שני חלקיקים קוונטיים או יותר ללא הרף תוך הפרדה על ידי מרחקים עצומים.
כדי להבין זאת עוד יותר, שקול השוואה פשוטה שאינה קשורה לפיזיקה או למחשוב. שקול מה היה קורה אם לא אחד, אלא שני מטבעות היו זורקים. בדרך כלל, אם מטבע אחד נוחת על ראשים או זנבות יש השפעה קטנה על התוצאה של הטלת המטבע השנייה.
עם זאת, במקרה של הסתבכות, שני החלקים מחוברים או מסתבכים, ללא קשר אם הם נפרדים פיזית. במקרה זה, אם מטבע אחד נוחת על ראשים, המטבע השני יציג גם ראשים, ולהיפך.
הבנת הסתבכות קוונטית (עם דוגמה)
הסתבכות קוונטית היא אכן מצב שבו שתי מערכות (בדרך כלל אלקטרונים או פוטונים) קשורות כל כך הדוק עד שרכישת מידע על "מצב" של מערכת אחת (כיוון הספין של האלקטרון, נניח "למעלה") תניב ידע מיידי על המערכת האחרת. "מצב" (כיוון הספין של האלקטרון השני, נניח "למטה") ללא קשר לכמה מערכות אלו קיימות.
הביטויים "מיידי" ו"ללא קשר לכמה הם רחוקים זה מזה" הם משמעותיים. תופעה זו הביאה מדענים כמו איינשטיין, מכיוון שהמדינה אינה מוגדרת עד שהיא נמדדת, והעברת מידע נוגדת את כלל הפיזיקה הקלאסית לפיו מידע אינו יכול להינשא מהר יותר ממהירות האור.
עם זאת, הסתבכות הוכחה כמשתמשת הן בפוטונים והן באלקטרונים מאז שנות ה-1980, הודות למחקר ובדיקות שהחלו בשנות ה-1980.
ניתן לייצר שני חלקיקים תת-אטומיים (אלקטרונים) כך שניתן לתאר אותם על ידי פונקציית גל יחיד. ניתן להשיג הסתבכות בשיטה אחת על ידי מתן אפשרות לחלקיק אב בעל אפס ספינים להתפרק לשני חלקיקי בת מסובכים עם ספינים שווים אך מנוגדים.
אם שני חלקיקי בת לא מקיימים אינטראקציה עם שום דבר, פונקציות הגלים שלהם יישארו שוות ומנוגדות, לא משנה כמה הם נמדדו זה מזה. מדענים קבעו באמצעות בדיקה שלזמן ההסתבכות לא הייתה השפעה על המידע.
במקום זאת, מידע נשלח לחלקיק השני בקצב מהיר יותר ממהירות האור רק כאשר המידע של חלקיק אחד נמדד.
כתוצאה מכך, המידע זורם בקצב הזה. אבל אין לנו שליטה עליו - חוסר השליטה הזה מגביל את השימושים בהסתבכות קוונטית, כמו שליחת הודעה או מידע אחר מהר יותר ממהירות האור.
איזה תפקיד ממלאת ההסתבכות במחשוב קוונטי?
שינוי המצב של קיוביט מסובך משנה באופן מיידי את מצב הקיוביט המזווג במחשבים קוונטיים. כתוצאה מכך, הסתבכות מאיץ את מהירות העיבוד של מחשבים קוונטיים.
מכיוון שעיבוד קיוביט אחד חושף מידע על קיוביטים רבים, הכפלת מספר הקיוביטים לא בהכרח מגדילה את מספר התהליכים (כלומר, הקיוביטים המסובכים).
הסתבכות קוונטית, על פי מחקרים, נדרשת כדי שאלגוריתם קוונטי יספק מהירות מעריכית על פני חישובים קלאסיים.
יישומי הסתבכות במחשוב קוונטי
מספר יישומים יכולים להפיק תועלת מהמאפיין הפיזי המיוחד הזה, שישנה את ההווה והעתיד שלנו. הצפנה קוונטית, קידוד צפוף, אולי שידור מהיר יותר מהאור ואפילו טלפורטציה עשויים להיות מופעלים על ידי הסתבכות.
למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל להתמודד עם אתגרים עתירי אנרגיה ועיבוד במגוון תעשיות, כולל פיננסים ובנקאות.
הסתבכות קוונטית היא תופעה שעשויה לעזור למחשבים כאלה על ידי הפחתת כמות הזמן וכוח העיבוד הנדרשים לטיפול בזרימת הנתונים בין הקיוביטים שלהם.
1. קריפטוגרפיה קוונטית
בקריפטוגרפיה קלאסית, השולח מקודד את ההודעה במפתח אחד, בעוד שהנמען מפענח אותה במפתח המשותף. עם זאת, קיימת סכנה שצד שלישי ישיג ידע על המפתחות ויוכל ליירט ולערער את ההצפנה.
יצירת ערוץ בטוח בין שני הצדדים הוא אבן הפינה לקריפטוגרפיה בלתי שבירה. הסתבכות יכולה לגרום לכך. ככל ששתי המערכות מסתבכות, הן מתואמות זו לזו (כאשר אחת משתנה, כך גם השנייה), ואף צד שלישי לא יחלוק את המתאם הזה.
הצפנה קוונטית נהנית גם מאי-שיבוט, כלומר אי אפשר ליצור העתק זהה של מצב קוונטי לא ידוע. כתוצאה מכך, אי אפשר לשכפל נתונים מקודדים במצב קוונטי.
עם הפצת מפתח קוונטי בלתי חדירה, הצפנה קוונטית כבר מומשה (QKD). QKD משתמש בפוטונים מקוטבים אקראית כדי להעביר מידע על המפתח. הנמען מפענח את המפתח באמצעות מסנני קיטוב והטכניקה המשמשת להצפנת ההודעה.
הנתונים הסודיים עדיין מועברים דרך קווי תקשורת סטנדרטיים, אך רק המפתח הקוונטי המדויק יכול לפענח את ההודעה. מכיוון ש"קריאת" הפוטונים המקוטבים משנה את מצבם, כל האזנה מתריעה בפני המתקשרים על החדירה.
טכנולוגיית QKD מוגבלת כיום על ידי כבל סיבים אופטיים, שיכול לספק פוטון במשך כ-100 ק"מ לפני שהוא הופך קלוש מדי לקלוט. בשנת 2004, ההעברה הבנקאית הסבוכה הראשונה QKD התרחשה באוסטריה.
לוודא שלשידור של תקשורת בלתי שבירה וחסינת שיבוש מאובטחת המבוססת על עקרונות פיזיים יש יישומים ברורים במגזרים פיננסיים, בנקאים, צבאיים, רפואיים ואחרים. מספר עסקים משתמשים כעת ב-QKD מסובך.
2. טלפורטציה קוונטית
טלפורטציה קוונטית היא גם השיטה להעברת מידע קוונטי בין שני צדדים, כגון פוטונים, אטומים, אלקטרונים ומעגלים מוליכים. על פי מחקר, טלפורטציה מאפשרת ל-QCs לפעול במקביל תוך שימוש בפחות חשמל ומפחית את צריכת החשמל פי 100 עד 1000.
ההבחנה בין טלפורטציה קוונטית להצפנה קוונטית היא כדלקמן:
- חילופי טלפורטציה קוונטית בערוץ קלאסי נשלח מידע "קוונטי".
- חילופי הצפנה קוונטית על פני ערוץ קוונטי נשלח מידע "קלאסי".
צורכי החשמל של מחשבים קוונטיים מייצרים חום, וזה אתגר בהתחשב בכך שהם חייבים לפעול בטמפרטורות נמוכות כל כך. לטלפורטציה יש פוטנציאל להוביל לפתרונות עיצוב שיאיצו את התפתחות המחשוב הקוונטי.
3. מערכת ביולוגית
גוף האדם, כמו כל היצורים, משתנה ללא הרף עקב האינטראקציה של מיליוני תהליכים כימיים וביולוגיים. עד לאחרונה, ההנחה הייתה שהם ליניאריים, כאשר "A" מוביל ל-"B". עם זאת, ביולוגיה קוונטית וביופיזיקה חשפו כמות עצומה של קוהרנטיות בתוך מערכות ביולוגיות, כאשר QE משחק תפקיד.
הדרך של יחידות המשנה המגוונות של מבני חלבון הם ארוזים יחד פותחה כדי לאפשר הסתבכות קוונטית מתמשכת וקהרנטיות. ביולוגיה קוונטית היא עדיין נושא תיאורטי עם חששות שונים ללא מענה; כאשר הם מטופלים, יישומים ברפואה יהפכו לגלויים יותר ויותר.
מחשוב קוונטי, בתיאוריה, עשוי להידמות טוב יותר לטבע (על ידי הדמיית קשר אטומי) ומערכות ביולוגיות קוונטיות מאשר מחשבים קלאסיים.
4. קידוד Superdense
קידוד Superdense הוא השיטה להעברת שני סיביות מידע קונבנציונליות באמצעות קיוביט מסובך בודד. קוד צפוף במיוחד יכול:
- מאפשר למשתמש לשלוח מחצית ממה שנדרש כדי לשחזר הודעה קלאסית מבעוד מועד, מה שמאפשר למשתמש לתקשר במהירות כפולה עד שייגמרו הקיוביטים שנמסרו מראש.
- הקיבולת של ערוץ קוונטי דו-כיווני בכיוון אחד מוכפלת.
- המר רוחב פס עם אחזור גבוה לרוחב פס עם אחזור נמוך על-ידי העברת מחצית מהנתונים בערוץ עם זמן אחזור גבוה כדי לתמוך בנתונים הנכנסים בערוץ עם אחזור נמוך.
כל דור של תקשורת קרא ליותר העברת נתונים. רווח דומה במידע יהיה אפשרי עם קידוד סופר-צפוף.
סיכום
הסתבכות קוונטית עשויה לאפשר לנו לעבוד עם נתונים בדרכים בלתי נתפסות בעבר. על ידי שילוב מחשוב קוונטי עם הסתבכות, נוכל לענות על בעיות הדורשות כמות עצומה של נתונים בצורה יעילה ובטוחה יותר.
עם תוספת של יישומים ביולוגיים ואסטרונומיים, QE עשוי לשמש כדי לענות על הסוגיות שבני האדם חשבו עליהן זמן רב: מאיפה באנו ואיך הכל התחיל?
ככל שהטכנולוגיה תתקדם יותר, כך נמצא יותר יישומים עבורה - יש לה הבטחה עצומה!
השאירו תגובה