量子コンピューティングは、量子力学の原理を使用してデータを処理します。 その結果、量子コンピューティングには古典的なコンピューティングとは異なるアプローチが必要になります。 量子コンピュータで使用されるプロセッサは、この違いの一例です。
従来のコンピューターはシリコンベースのプロセッサーを使用しますが、量子コンピューターは原子、イオン、光子、電子などの量子システムを使用します。 これらは、量子特徴を使用して、1 と 0 のさまざまな量子重ね合わせで作成される可能性のあるビットを表します。
では、この文脈において「量子」という用語は正確には何を意味するのでしょうか? それは大きな飛躍ですか?
クォンタムという用語は、「量」を意味するラテン語のクォンタムに由来しています。 これは、物理学における「大きさが、それが表す放射線の周波数に比例するエネルギーの離散量」です。 離散とは、連続でも個別でもないものを指します。 この意味での量子とは、固有の量または重要な量を指します。
量子コンピューティングとは何ですか?
量子コンピューティング 代数的手法を使用して、量子物理学で使用されるアルゴリズムと同じか類似した計算アルゴリズムを構築しています。 量子力学は、原子や素粒子のサイズで自然の物理的性質を説明する基本的な物理理論を指します。
A 量子コンピューター したがって、このようなアルゴリズムを実装できる仮想コンピューターです。 その結果、量子コンピューターは基本的に、単一の電子から作成される量子ビット (キュービットとも呼ばれます) に基づいています。
量子材料は、確率計算、重ね合わせ、計算などの概念を利用して、量子力学の規則に従って動作します。 エンタングルメント。 これらのアイデアは、量子コンピューターの機能を使用して複雑な問題に取り組む量子アルゴリズムの基礎として機能します。
この記事では、量子もつれについて知っておくべきことすべてについて説明します。
量子もつれとは何ですか?
量子もつれは、XNUMX つのシステムが非常に密接にリンクされている場合に発生し、一方について知れば、どんなに離れていてももう一方についてすぐに知ることができます。
アインシュタインなどの科学者はこの現象に当惑したが、この現象は光の速度より速く情報を送信できないという規則に違反したため、彼は「遠隔での不気味な現象」と呼んだ。 しかし、光子と電子を使用した追加の実験では、もつれが確認されました。
もつれは量子コンピューティングの基礎です。 物理学における量子もつれとは、量子粒子間の非常に強いつながりを指します。 この結合は非常に強力であるため、XNUMX つ以上の量子粒子は、膨大な距離を離れていても容赦なく結合することができます。
これをさらに理解するために、物理学やコンピューティングに関係のない単純な比較を考えてみましょう。 XNUMX 枚ではなく XNUMX 枚のコインを投げた場合に何が起こるかを考えてみましょう。 通常、XNUMX 枚のコインが表になるか裏になるかは、XNUMX 回目のコイントスの結果にはほとんど影響しません。
ただし、もつれの場合は、物理的に離れているかどうかに関係なく、両方の部分が接続または絡み合っています。 この場合、XNUMX つのコインが表になった場合、XNUMX 番目のコインも同様に表を表示し、その逆も同様です。
量子もつれを理解する (例付き)
実際、量子もつれとは、XNUMX つのシステム (通常は電子または光子) が非常に密接にリンクしている状況であり、一方のシステムの「状態」 (電子のスピンの方向、たとえば「上」) に関する情報を取得すると、もう一方のシステムについての情報が瞬時に得られることになります。これらのシステムがどれだけ離れて存在するかに関係なく、「状態」(第 XNUMX 電子のスピンの方向、たとえば「下」)が変化します。
「瞬時に」「どんなに離れていても」というフレーズが重要です。 この現象は、アインシュタインのような科学者を困惑させてきた。なぜなら、状態は測定されるまで定義されず、情報伝達は光の速度より速く情報を運ぶことはできないという古典物理学の規則に反するからである。
しかし、1980 年代に始まった研究と実験のおかげで、もつれには光子と電子の両方が使用されることが証明されました。
XNUMX つの素粒子 (電子) を生成できるため、それらは XNUMX つの波動関数で記述できます。 一つの方法では、スピンがゼロの親粒子を、等しいが逆のスピンを有する2つの絡み合った娘粒子に崩壊させることによって、絡み合いを達成することができる。
XNUMX つの娘粒子が何とも相互作用しない場合、それらの波動関数は、どれだけ離れて測定されても等しく、反対の状態を保ちます。 科学者たちは実験を通じて、エンタングルの時間は情報に影響を及ぼさないことを確認しました。
その代わりに、一方の粒子の情報が測定される場合にのみ、情報は光速よりも速い速度でもう一方の粒子に送信されます。
その結果、情報はこのペースで流れます。 しかし、私たちはそれを制御できません。この制御の欠如により、光の速度よりも速くメッセージやその他の情報を送信するなど、量子もつれの使用が制限されます。
量子コンピューティングにおいてもつれはどのような役割を果たしますか?
量子もつれの量子ビットの状態を変更すると、量子コンピューターのペアになった量子ビットの状態も瞬時に変更されます。 その結果、量子もつれにより量子コンピューターの処理速度が向上します。
XNUMX つの量子ビットを処理すると多数の量子ビットに関する情報が明らかになるため、量子ビットの数が XNUMX 倍になってもプロセス数 (つまり、量子もつれの数) が必ずしも増加するとは限りません。
研究によれば、量子もつれは、量子アルゴリズムが古典的な計算よりも指数関数的に高速化するために必要です。
量子コンピューティングにおけるもつれの応用
いくつかのアプリケーションは、私たちの現在と未来を変えるこのユニークな物理的特性から恩恵を受けることができます。 量子暗号化、超高密度コーディング、おそらく超光速伝送、さらにはテレポートさえもすべてエンタングルメントによって可能になる可能性があります。
量子コンピューターは、金融や銀行などのさまざまな業界において、時間と処理能力を大量に消費する課題に取り組む可能性を秘めています。
量子もつれは、量子ビット間のデータ フローを処理するために必要な時間と処理能力を削減することで、このようなコンピューターに役立つ可能性がある現象です。
1. 量子暗号
古典的な暗号化では、送信者は XNUMX つのキーでメッセージをエンコードし、受信者は共有キーでメッセージをデコードします。 ただし、第三者がキーに関する情報を取得し、暗号化を傍受して破ってしまう危険性があります。
双方の間に安全なチャネルを作成することが、解読不可能な暗号化の基礎です。 絡み合いが原因となる場合があります。 XNUMX つのシステムが絡み合っているため、相互に相関関係があり (一方が変化すると他方も変化します)、この相関関係を共有する第三者は存在しません。
量子暗号には、クローン作成が不要という利点もあります。これは、未知の量子状態の同一のレプリカを生成することが不可能であることを意味します。 その結果、量子状態でエンコードされたデータを複製することは不可能になります。
侵入不可能な量子鍵配布により、量子暗号はすでに実現されています (QKD)。 QKD は、ランダムに偏光した光子を使用して鍵に関する情報を通信します。 受信者は、偏光フィルターとメッセージの暗号化に使用される技術を使用してキーを解読します。
秘密データは依然として標準通信回線を通じて転送されますが、メッセージを解読できるのは正確な量子鍵だけです。 偏光子を「読み取る」とその状態が変化するため、盗聴があれば通信者に侵入を警告します。
現在、QKD 技術は光ファイバー ケーブルによって制約されており、光子は受信できなくなるまで約 100 km 伝送されます。 2004 年に、最初のもつれた QKD 銀行送金がオーストリアで発生しました。
物理原理に基づいて安全であることが証明された、解読不能で改ざん防止の通信を確実に送信することは、金融、銀行、軍事、医療、その他の分野で明らかに応用できます。 現在、いくつかの企業がエンタングル型 QKD を使用しています。
2. 量子テレポーテーション
量子テレポーテーションは、光子、原子、電子、超伝導回路などの量子情報を 100 者間で送信する方法でもあります。 研究によると、テレポートにより QC を並行して実行できるようになり、消費電力が 1000 ~ XNUMX 分の XNUMX に削減されます。
量子テレポーテーションと量子暗号の違いは次のとおりです。
- 量子テレポーテーションの交換 古典的なチャネルを介して、「量子」情報が送信されます。
- 量子暗号の交換 量子チャネルを介して、「古典的な」情報が送信されます。
量子コンピュータは電力を必要とするため熱が発生しますが、これは非常に低い温度で動作しなければならないことを考えると課題です。 テレポーテーションは、量子コンピューティングの開発を加速する設計ソリューションにつながる可能性を秘めています。
3. 生物学的システム
すべての生き物と同様に、人体も何百万もの化学的および生物学的プロセスの相互作用により継続的に変化しています。 最近まで、「A」が「B」につながる直線であると考えられていました。 しかし、量子生物学と生物物理学は、QE が役割を果たしている、生物学的システム内部の膨大な量の一貫性を明らかにしました。
の多様なサブユニットの方法 タンパク質構造 持続的な量子もつれとコヒーレンスを可能にするために開発されました。 量子生物学はまだ理論的なトピックであり、さまざまな未解決の懸念があります。 それらが解決されると、医療への応用がますます目に見えるものになるでしょう。
理論的には、量子コンピューティングは、古典的なコンピューターよりも(原子結合をシミュレートすることで)自然や量子生物学的システムによく似ている可能性があります。
4. 超高密度コーディング
超高密度コーディングは、単一のもつれ量子ビットを使用して、従来の XNUMX ビットの情報を送信する方法です。 超高密度のコードでは次のことが可能です。
- ユーザーは古典的なメッセージを再構築するために必要な量の半分を事前に送信できるため、事前に配信された量子ビットがなくなるまで XNUMX 倍の速度で通信できるようになります。
- 双方向量子チャネルの一方向の容量は XNUMX 倍になります。
- データの半分を高遅延チャネル経由で送信し、低遅延チャネル経由で受信するデータをサポートすることで、高遅延帯域幅を低遅延帯域幅に変換します。
通信の世代ごとに、より多くのデータ転送が必要になりました。 超高密度コーディングを使用すると、同等の情報の獲得が可能になります。
まとめ
量子もつれにより、これまで想像できなかった方法でデータを操作できるようになる可能性があります。 量子コンピューティングとエンタングルメントを統合することで、大量のデータを必要とする問題に、より効率的かつ安全な方法で答えることができるようになります。
生物学的および天文学的な応用を加えれば、QE は、人間が長年考えてきた問題、つまり、私たちはどこから来たのか、すべてはどのように始まったのか? という問題に答えるために使用される可能性があります。
テクノロジーが進歩すればするほど、より多くのアプリケーションが見つかるでしょう。テクノロジーには大きな可能性が秘められています。
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