Turinys[Slėpti][Rodyti]
Kvantinė kompiuterija apdoroja duomenis naudodama kvantinės mechanikos principus. Dėl to kvantiniam skaičiavimui reikia kitokio požiūrio nei klasikiniam skaičiavimui. Kvantiniuose kompiuteriuose naudojamas procesorius yra vienas iš šio skirtumo pavyzdžių.
Tradiciniuose kompiuteriuose naudojami silicio procesoriai, o kvantiniuose kompiuteriuose naudojamos kvantinės sistemos, tokios kaip atomai, jonai, fotonai ar elektronai. Jie naudoja kvantines savybes, kad pavaizduotų bitus, kurie gali būti sukurti įvairiose 1 ir 0 kvantinėse superpozicijose.
Taigi, ką šiame kontekste tiksliai reiškia terminas „kvantinis“? Ar tai reikšmingas šuolis?
Terminas kvantas kilęs iš lotyniško žodžio quantum, kuris reiškia „kiekis“. Fizikoje tai yra „diskretus energijos kiekis, proporcingas jo atstovaujamos spinduliuotės dažniui“. Diskretus reiškia kažką, kas nėra nei nuolatinė, nei atskira. Kvantinė šia prasme reiškia unikalius arba reikšmingus kiekius.
Kas yra kvantinė kompiuterija?
Kvantinis skaičiavimas naudoja algebrinius metodus, kad sukurtų skaičiavimų algoritmus, kurie dažnai yra tokie patys arba panašūs į tuos, kurie naudojami kvantinėje fizikoje. Kvantinė mechanika savo ruožtu reiškia pagrindinę fizikos teoriją, kuri gilinasi į gamtos fizinių savybių atomų ir subatominių dalelių dydžio paaiškinimą.
A kvantinis kompiuteris taigi yra hipotetinis kompiuteris, galintis įgyvendinti tokius algoritmus. Dėl to kvantiniai kompiuteriai iš esmės yra pagrįsti kvantiniais bitais, taip pat žinomais kaip kubitai, kurie gali būti sukurti iš vieno elektrono.
Kvantinė medžiaga elgiasi pagal kvantinės mechanikos taisykles, naudodama tokias sąvokas kaip tikimybinis skaičiavimas, superpozicija ir susipynimas. Šios idėjos yra pagrindas kvantiniams algoritmams, kurie naudoja kvantinių kompiuterių galimybes sudėtingoms problemoms spręsti.
Šiame straipsnyje aptarsiu viską, ką reikia žinoti apie kvantinį susipynimą.
Kas yra kvantinis susipynimas?
Kvantinis susipynimas įvyksta tada, kai dvi sistemos yra taip glaudžiai susijusios, kad žinant apie vieną iš karto sužinoma apie kitą, kad ir kaip toli jos būtų viena nuo kitos.
Mokslininkus, tokius kaip Einšteinas, suglumino šis reiškinys, kurį jis pavadino „baisu veiksmu per atstumą“, nes jis pažeidė taisyklę, kad jokia informacija negali būti siunčiama greičiau nei šviesos greitis. Tačiau papildomi eksperimentai, naudojant fotonus ir elektronus, patvirtino įsipainiojimą.
Susipainiojimas yra kvantinio skaičiavimo kertinis akmuo. Kvantinis susipynimas fizikoje reiškia labai stiprų ryšį tarp kvantinių dalelių. Šis ryšys yra toks stiprus, kad dvi ar daugiau kvantinių dalelių gali būti nenumaldomai sujungtos, o jas skiria didžiuliai atstumai.
Norėdami tai geriau suprasti, apsvarstykite paprastą palyginimą, nesusijusį su fizika ar kompiuterija. Pagalvokite, kas būtų, jei būtų išmesta ne viena, o dvi monetos. Paprastai tai, ar viena moneta nukrenta ant galvų ar uodegų, turi mažai įtakos antrojo monetos metimo rezultatui.
Tačiau susipynimo atveju abi dalys yra sujungtos arba susipynusios, nepaisant to, ar jos yra fiziškai atskiros. Tokiu atveju, jei viena moneta nukrenta ant galvų, antroje monetoje taip pat bus rodomos galvutės ir atvirkščiai.
Supratimas apie kvantinį susipynimą (su pavyzdžiu)
Kvantinis susipynimas iš tikrųjų yra situacija, kai dvi sistemos (paprastai elektronai arba fotonai) yra taip glaudžiai susijusios, kad gavus informaciją apie vienos sistemos „būseną“ (elektrono sukimosi kryptį, tarkim „aukštyn“) būtų galima akimirksniu sužinoti apie kitos sistemos būseną. „būsena“ (antrojo elektrono sukimosi kryptis, tarkim „žemyn“), nepaisant to, kokiu atstumu šios sistemos egzistuoja.
Frazės „akimirksniu“ ir „nepriklausomai nuo to, kiek toli vienas nuo kito yra“ yra reikšmingos. Šis reiškinys suglumino mokslininkus, tokius kaip Einšteinas, nes būsena neapibrėžiama tol, kol ji nėra išmatuota, o informacijos perdavimas prieštarauja klasikinei fizikos taisyklei, kad informacija negali būti perduodama greičiau nei šviesos greitis.
Tačiau buvo įrodyta, kad nuo devintojo dešimtmečio įsipainiojimas naudoja ir fotonus, ir elektronus, dėka devintajame dešimtmetyje prasidėjusių tyrimų ir bandymų.
Galima pagaminti dvi subatomines daleles (elektronus), kad jas būtų galima apibūdinti viena bangine funkcija. Įsipainiojimas gali būti pasiektas vienu metodu, leidžiant pagrindinei dalelei su nuliniais sukimais suirti į dvi įsipainiojusias dukterines daleles, kurių sukiniai yra vienodi, bet priešingi.
Jei dvi dukterinės dalelės su niekuo nesąveikauja, jų bangų funkcijos išliks vienodos ir priešingos, kad ir kokiu atstumu jos būtų matuojamos. Atlikdami bandymus mokslininkai nustatė, kad įsipainiojimo laikas neturėjo įtakos informacijai.
Vietoj to, informacija kitai dalelei siunčiama greičiau nei šviesos greitis tik tada, kai išmatuojama vienos dalelės informacija.
Dėl to informacija teka tokiu greičiu. Tačiau mes to nekontroliuojame – šis kontrolės trūkumas riboja kvantinio įsipainiojimo naudojimą, pavyzdžiui, žinutės ar kitos informacijos siuntimą greičiau nei šviesos greitis.
Kokį vaidmenį kvantiniame skaičiavime atlieka įsipainiojimas?
Pakeitus įsipainiojusio kubito būseną, kvantiniuose kompiuteriuose akimirksniu pakeičiama suporuoto kubito būsena. Dėl to įsipainiojimas pagreitina kvantinių kompiuterių apdorojimo greitį.
Kadangi apdorojant vieną kubitą atskleidžiama informacija apie daugybę kubitų, kubitų skaičiaus padvigubinimas nebūtinai padidina procesų (ty susipynusių kubitų) skaičių.
Remiantis tyrimais, kvantinis algoritmas reikalingas, kad būtų galima atlikti eksponentinį greitį, palyginti su klasikiniais skaičiavimais.
Įpainiojimo taikymas kvantiniame skaičiavime
Ši unikali fizinė savybė gali būti naudinga kelioms programoms, kurios pakeis mūsų dabartį ir ateitį. Kvantinis šifravimas, ypač tankus kodavimas, galbūt greitesnis nei šviesos perdavimas ir net teleportacija gali būti įgalinti dėl susipainiojimo.
Kvantiniai kompiuteriai gali susidoroti su daug laiko ir apdorojimo energijos reikalaujančiais iššūkiais įvairiose pramonės šakose, įskaitant finansus ir bankininkystę.
Kvantinis įsipainiojimas yra reiškinys, kuris gali padėti tokiems kompiuteriams, nes sumažina laiką ir apdorojimo galią, reikalingą duomenų srautui tarp jų kubitų valdyti.
1. Kvantinė kriptografija
Klasikinėje kriptografijoje siuntėjas užkoduoja pranešimą vienu raktu, o gavėjas iškoduoja jį bendru raktu. Tačiau yra pavojus, kad trečioji šalis gaus žinių apie raktus ir galės perimti bei pakenkti kriptografijai.
Saugaus kanalo tarp dviejų šalių sukūrimas yra nepalaužiamos kriptografijos kertinis akmuo. Tai gali sukelti susipainiojimas. Kadangi abi sistemos yra susipynusios, jos yra koreliuojamos viena su kita (kai keičiasi viena, keičiasi ir kita), ir jokia trečioji šalis nesidalins šia koreliacija.
Kvantinė kriptografija taip pat turi naudos iš neklonavimo, o tai reiškia, kad neįmanoma sukurti identiškos nežinomos kvantinės būsenos kopijos. Dėl to neįmanoma atkartoti duomenų, užkoduotų kvantinėje būsenoje.
Kvantinė kriptografija jau buvo įgyvendinta su neįveikiamu kvantinio rakto paskirstymu (QKD). QKD naudoja atsitiktinai poliarizuotus fotonus, kad perduotų informaciją apie raktą. Gavėjas iššifruoja raktą naudodamas poliarizuojančius filtrus ir pranešimo šifravimo techniką.
Slapti duomenys vis dar perduodami standartinėmis ryšio linijomis, tačiau tik tikslus kvantinis raktas gali iššifruoti pranešimą. Kadangi poliarizuotų fotonų „skaitymas“ keičia jų būsenas, bet koks pasiklausymas įspėja komunikatorius apie įsibrovimą.
Šiuo metu QKD technologiją riboja šviesolaidinis kabelis, kuris gali perduoti fotoną maždaug 100 km, kol jis tampa per silpnas. 2004 m. Austrijoje įvyko pirmasis įsipainiojęs QKD banko pavedimas.
Užtikrinti, kad nepertraukiamų ir apsaugotų nuo klastojimo ryšių, kurie yra įrodyta, kad jie yra saugūs fiziniais principais, perdavimas yra akivaizdus finansų, bankininkystės, karo, medicinos ir kituose sektoriuose. Kelios įmonės dabar naudoja susietą QKD.
2. Kvantinė teleportacija
Kvantinė teleportacija taip pat yra būdas perduoti kvantinę informaciją tarp dviejų šalių, tokių kaip fotonai, atomai, elektronai ir superlaidžios grandinės. Remiantis tyrimais, teleportacija leidžia QC veikti lygiagrečiai, naudojant mažiau elektros energijos, todėl energijos suvartojimas sumažėja 100–1000 kartų.
Skirtumas tarp kvantinės teleportacijos ir kvantinės kriptografijos yra toks:
- Kvantinės teleportacijos mainai Klasikiniu kanalu siunčiama „kvantinė“ informacija.
- Keitimasis kvantine kriptografija Kvantiniu kanalu siunčiama „klasikinė“ informacija.
Kvantinių kompiuterių energijos poreikiai generuoja šilumą, o tai yra iššūkis, nes jie turi veikti tokioje žemoje temperatūroje. Teleportacija gali paskatinti projektinius sprendimus, kurie paspartins kvantinio skaičiavimo vystymąsi.
3. Biologinė sistema
Žmogaus kūnas, kaip ir visos būtybės, nuolat kinta dėl milijonų cheminių ir biologinių procesų sąveikos. Dar visai neseniai buvo manoma, kad jie yra linijiniai, o „A“ veda į „B“. Tačiau kvantinė biologija ir biofizika atskleidė didžiulį biologinių sistemų nuoseklumą, o QE vaidina svarbų vaidmenį.
Įvairių subvienetų būdas baltymų struktūros yra supakuoti, yra sukurti taip, kad būtų užtikrintas ilgalaikis kvantinis įsipainiojimas ir darna. Kvantinė biologija tebėra teorinė tema, turinti įvairių neatsakytų problemų; kai jie bus sprendžiami, taikymas medicinoje taps vis labiau matomas.
Kvantinė kompiuterija teoriškai gali būti labiau panaši į gamtą (modeliuojant atominį ryšį) ir kvantines biologines sistemas nei klasikiniai kompiuteriai.
4. Superdense kodavimas
Superdense kodavimas yra būdas perduoti du įprastinius informacijos bitus naudojant vieną susietą kubitą. Itin tankus kodas gali:
- Leidžia vartotojui išsiųsti pusę to, ko reikia norint atkurti klasikinį pranešimą anksčiau laiko, todėl vartotojas gali bendrauti dvigubai greičiau, kol baigsis iš anksto pristatyti kubitai.
- Dvipusio kvantinio kanalo talpa viena kryptimi padvigubėja.
- Konvertuokite didelės delsos dažnių juostos plotį į mažo vėlavimo dažnių juostos plotį, pusę duomenų perkeldami per didelės delsos kanalą, kad būtų palaikomi duomenys, gaunami per mažo vėlavimo kanalą.
Kiekviena komunikacijos karta reikalavo daugiau duomenų perdavimo. Panašiai gauti informacijos bus galima naudojant itin tankų kodavimą.
Išvada
Kvantinis susipynimas gali leisti mums dirbti su duomenimis anksčiau neįsivaizduojamais būdais. Sujungę kvantinį skaičiavimą su įsipainiojimu, galėsime efektyviau ir saugiau atsakyti į problemas, kurioms reikalingas didžiulis duomenų kiekis.
Pridėjus biologines ir astronomines programas, QE gali būti naudojamas atsakant į klausimus, apie kuriuos žmonės jau seniai galvojo: iš kur mes atėjome ir kaip viskas prasidėjo?
Kuo daugiau technologijų pažangos, tuo daugiau pritaikymų jai rasime – ji turi didžiulį pažadą!
Palikti atsakymą