양자 컴퓨팅은 양자 역학 원리를 사용하여 데이터를 처리합니다. 결과적으로 양자 컴퓨팅에는 기존 컴퓨팅과 다른 접근 방식이 필요합니다. 양자 컴퓨터에 사용되는 프로세서는 이러한 구분의 한 예입니다.
기존 컴퓨터는 실리콘 기반 프로세서를 사용하는 반면 양자 컴퓨터는 원자, 이온, 광자 또는 전자와 같은 양자 시스템을 사용합니다. 그들은 1과 0의 다양한 양자 중첩에서 생성될 수 있는 비트를 나타내기 위해 양자 기능을 사용합니다.
그렇다면 이 맥락에서 "양자"라는 용어는 정확히 무엇을 의미합니까? 의미 있는 도약인가?
양자라는 용어는 "양"을 의미하는 라틴어 양자에서 파생됩니다. 그것은 물리학에서 '그것이 나타내는 복사의 주파수에 크기에 비례하는 에너지의 이산량'입니다. 이산(discrete)은 연속적이지 않고 구별되지 않는 것을 말합니다. 양자는 이러한 의미에서 고유하거나 상당한 양을 나타냅니다.
양자 컴퓨팅이란 무엇입니까?
퀀텀 컴퓨팅 대수적 방법을 사용하여 계산을 위한 알고리즘을 구성하고 있으며, 이는 종종 양자 물리학에서 사용되는 것과 동일하거나 유사합니다. 양자 역학은 차례로 원자와 아원자 입자의 크기에서 자연의 물리적 특성을 설명하는 기본 물리학 이론을 말합니다.
A 양자 컴퓨터 따라서 이러한 알고리즘을 구현할 수 있는 가상의 컴퓨터입니다. 결과적으로 양자 컴퓨터는 기본적으로 단일 전자에서 생성될 수 있는 큐비트라고도 하는 양자 비트를 기반으로 합니다.
양자 물질은 확률 계산, 중첩 및 얽히게 함. 이러한 아이디어는 양자 컴퓨터의 기능을 사용하여 복잡한 문제를 해결하는 양자 알고리즘의 기초 역할을 합니다.
이 기사에서는 양자 얽힘에 대해 알아야 할 모든 것에 대해 설명합니다.
양자 얽힘이란 무엇입니까?
양자 얽힘은 두 시스템이 매우 밀접하게 연결되어 있어 서로 떨어져 있더라도 하나에 대해 알면 다른 시스템에 대한 즉각적인 지식을 얻을 수 있을 때 발생합니다.
아인슈타인과 같은 과학자들은 어떤 정보도 빛의 속도보다 빠르게 보낼 수 없다는 규칙을 어겼기 때문에 "원거리에서 으스스한 행동"이라고 명명한 이 현상에 당황했습니다. 그러나 광자와 전자를 사용한 추가 실험에서 얽힘이 확인되었습니다.
얽힘은 양자 컴퓨팅의 초석입니다. 물리학에서 양자 얽힘은 양자 입자 간의 매우 강한 연결을 나타냅니다. 이 연결이 너무 강해서 둘 이상의 양자 입자가 엄청난 거리로 떨어져 있으면서도 가차 없이 연결될 수 있습니다.
이것을 더 이해하려면 물리학이나 컴퓨팅과 관련이 없는 간단한 비교를 고려하십시오. 하나가 아니라 두 개의 동전을 던졌을 때 어떤 일이 일어날지 생각해 보십시오. 일반적으로 동전 하나가 앞면에 나오든 뒷면에 떨어지든 두 번째 동전 던지기의 결과에는 거의 영향을 미치지 않습니다.
그러나 얽힘의 경우 물리적으로 분리되어 있든 없든 두 부분이 연결되거나 얽혀 있습니다. 이 경우 하나의 동전이 앞면에 떨어지면 두 번째 동전도 앞면이 표시되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
양자 얽힘 이해(예제 포함)
양자 얽힘은 실제로 두 시스템(일반적으로 전자 또는 광자)이 매우 밀접하게 연결되어 한 시스템의 "상태"(전자의 스핀 방향, "위"라고 함)에 대한 정보를 획득하면 다른 시스템에 대한 즉각적인 지식을 얻을 수 있는 상황입니다. 이러한 시스템이 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 "상태"(두 번째 전자의 스핀 방향, "아래"라고 함).
"즉각적으로"와 "얼마나 떨어져 있더라도"라는 문구는 의미가 있습니다. 이 현상은 상태가 측정될 때까지 정의되지 않고 정보 전송이 빛의 속도보다 빠르게 전달될 수 없다는 고전 물리학 규칙을 무시하기 때문에 아인슈타인과 같은 과학자들을 당혹스럽게 했습니다.
그러나 얽힘은 1980년대에 시작된 연구와 테스트 덕분에 1980년대부터 광자와 전자를 모두 사용하는 것으로 입증되었습니다.
두 개의 아원자 입자(전자)가 생성되어 단일 파동 함수로 설명될 수 있습니다. 얽힘은 스핀이 XNUMX인 모 입자가 스핀은 같지만 스핀이 반대인 두 개의 얽힌 딸 입자로 붕괴되도록 함으로써 한 가지 방법으로 달성될 수 있습니다.
두 개의 딸 입자가 어떤 것과도 상호 작용하지 않으면 파동 함수는 측정 거리에 관계없이 동일하고 반대 방향으로 유지됩니다. 과학자들은 테스트를 통해 얽힌 시간이 정보에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인했습니다.
대신 한 입자의 정보가 측정될 때만 정보가 빛의 속도보다 빠른 속도로 다른 입자로 전송됩니다.
결과적으로 정보는 이 속도로 흐릅니다. 그러나 우리는 그것을 제어할 수 없습니다. 이러한 제어 부족은 빛의 속도보다 빠른 메시지 또는 기타 정보를 보내는 것과 같은 양자 얽힘의 사용을 제한합니다.
양자 컴퓨팅에서 얽힘은 어떤 역할을 합니까?
얽힌 큐비트의 상태를 변경하면 양자 컴퓨터에서 쌍을 이루는 큐비트의 상태가 즉시 변경됩니다. 결과적으로 얽힘은 양자 컴퓨터의 처리 속도를 가속화합니다.
하나의 큐비트를 처리하면 수많은 큐비트에 대한 정보가 드러나기 때문에 큐비트 수를 두 배로 늘린다고 해서 반드시 프로세스 수(즉, 얽힌 큐비트)가 늘어나는 것은 아닙니다.
연구에 따르면 양자 얽힘은 양자 알고리즘이 기존 계산에 비해 기하급수적인 속도 향상을 제공하는 데 필요합니다.
양자 컴퓨팅의 얽힘 응용
여러 응용 분야에서 이 독특한 물리적 특성의 이점을 얻을 수 있으며, 이는 현재와 미래를 바꿀 것입니다. 양자 암호화, 초고밀도 코딩, 어쩌면 빛보다 빠른 전송, 심지어 순간 이동도 모두 얽힘에 의해 활성화될 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 금융 및 은행을 포함한 다양한 산업에서 시간과 처리 능력 집약적인 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
양자 얽힘은 큐비트 간의 데이터 흐름을 처리하는 데 필요한 시간과 처리 능력을 줄임으로써 이러한 컴퓨터에 도움이 될 수 있는 현상입니다.
1. 양자 암호화
기존 암호화에서 발신자는 하나의 키로 메시지를 인코딩하고 수신자는 공유 키로 메시지를 디코딩합니다. 그러나 제 XNUMX자가 키에 대한 지식을 얻고 암호화를 가로채거나 훼손할 위험이 있습니다.
두 당사자 사이에 안전한 채널을 만드는 것은 깨지지 않는 암호화의 초석입니다. 얽힘으로 인해 발생할 수 있습니다. 두 시스템이 얽혀 있기 때문에 서로 상관 관계가 있으며(하나가 변경되면 다른 시스템도 변경됨) 제XNUMX자는 이 상관 관계를 공유하지 않습니다.
양자 암호화는 또한 복제가 없다는 이점이 있습니다. 즉, 알려지지 않은 양자 상태의 동일한 복제본을 생성하는 것이 불가능합니다. 결과적으로 양자 상태로 인코딩된 데이터를 복제하는 것은 불가능합니다.
뚫을 수 없는 양자 키 분포로 양자 암호는 이미 실현되었습니다(QKD). QKD는 무작위로 편광된 광자를 사용하여 키에 대한 정보를 전달합니다. 수신자는 편광 필터와 메시지 암호화에 사용되는 기술을 사용하여 키를 해독합니다.
비밀 데이터는 여전히 표준 통신 회선을 통해 전송되지만 정확한 양자 키만 메시지를 해독할 수 있습니다. 편광된 광자를 "읽는" 것은 상태를 변경하기 때문에 모든 도청은 커뮤니케이터에게 침입에 대해 경고합니다.
QKD 기술은 현재 광섬유 케이블에 의해 제약을 받고 있으며, 이 케이블은 수신하기에 너무 희미해지기 전에 약 100km 동안 광자를 전달할 수 있습니다. 2004년에 첫 번째 얽힌 QKD 은행 송금이 오스트리아에서 발생했습니다.
물리적 원칙에 따라 보안이 입증된 깨지지 않고 변조되지 않는 통신의 전송을 확인하는 것은 금융, 은행, 군사, 의료 및 기타 분야에서 명백한 응용 프로그램입니다. 여러 기업이 현재 얽힌 QKD를 사용하고 있습니다.
2. 양자 순간이동
양자 순간 이동은 또한 광자, 원자, 전자 및 초전도 회로와 같은 두 당사자 간에 양자 정보를 전송하는 방법입니다. 연구에 따르면 순간 이동을 통해 전력 사용량을 100~1000배 낮추면서 전력을 덜 사용하면서 QC를 병렬로 실행할 수 있습니다.
양자 순간 이동과 양자 암호화의 차이점은 다음과 같습니다.
- 양자 순간 이동의 교환 고전적인 채널을 통해 "양자" 정보가 전송됩니다.
- 양자 암호 교환 양자 채널을 통해 "고전적인" 정보가 전송됩니다.
양자 컴퓨터의 전력 요구 사항은 열을 생성하는데, 이는 그러한 낮은 온도에서 작동해야 한다는 점을 감안할 때 어려운 문제입니다. 순간 이동은 양자 컴퓨팅의 개발을 가속화할 설계 솔루션으로 이어질 가능성이 있습니다.
3. 생물학적 시스템
모든 생물과 마찬가지로 인체는 수백만 가지의 화학적 및 생물학적 과정의 상호 작용으로 인해 지속적으로 변화하고 있습니다. 최근까지는 "A"가 "B"로 이어지는 선형으로 간주되었습니다. 그러나 양자 생물학 및 생물 물리학은 QE가 역할을 하는 생물학적 시스템 내부의 엄청난 양의 일관성을 밝혀냈습니다.
다양한 하위 단위가 단백질 구조 함께 포장되어 지속적인 양자 얽힘과 일관성을 허용하도록 개발되었습니다. 양자 생물학은 여전히 여러 가지 해결되지 않은 문제가 있는 이론적 주제입니다. 그것들이 다루어지면 의학에서의 응용이 점점 더 눈에 띄게 될 것입니다.
이론적으로 양자 컴퓨팅은 고전 컴퓨터보다 자연(원자 결합 시뮬레이션) 및 양자 생물학 시스템과 더 유사할 수 있습니다.
4. 초고밀도 코딩
초고밀도 코딩은 하나의 얽힌 큐비트를 사용하여 두 개의 기존 정보 비트를 전송하는 방법입니다. 초고밀도 코드는 다음을 수행할 수 있습니다.
- 사용자가 기존 메시지를 재구성하는 데 필요한 것의 절반을 미리 보낼 수 있으므로 사용자는 미리 전달된 큐비트가 소진될 때까지 두 배의 속도로 통신할 수 있습니다.
- 양방향 양자 채널의 한 방향 용량은 두 배가 됩니다.
- 대기 시간이 짧은 채널을 통해 들어오는 데이터를 지원하기 위해 대기 시간이 긴 채널을 통해 데이터의 절반을 전송하여 대기 시간이 긴 대역폭을 대기 시간이 짧은 대역폭으로 변환합니다.
통신의 각 세대는 더 많은 데이터 전송을 요구했습니다. 초고밀도 코딩으로 비슷한 수준의 정보 이득이 가능합니다.
결론
양자 얽힘을 통해 이전에는 상상할 수 없었던 방식으로 데이터 작업을 수행할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅을 얽힘과 통합함으로써 우리는 더 효율적이고 안전한 방식으로 방대한 양의 데이터를 요구하는 문제에 답할 수 있을 것입니다.
생물학적 및 천문학적 응용이 추가됨에 따라 QE는 인간이 오랫동안 숙고해 온 문제, 즉 우리는 어디에서 왔으며 이 모든 것이 어떻게 시작되었는지에 대한 답변에 사용될 수 있습니다.
기술이 더 많이 발전할수록 더 많은 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다. 엄청난 가능성이 있습니다!
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