Saturs[Paslēpt][Rādīt]
Kvantu skaitļošana apstrādā datus, izmantojot kvantu mehānikas principus. Rezultātā kvantu skaitļošanai ir nepieciešama atšķirīga pieeja nekā klasiskajai skaitļošanai. Viens no šīs atšķirības piemēriem ir kvantu datoros izmantotais procesors.
Tā kā tradicionālajos datoros tiek izmantoti procesori, kuru pamatā ir silīcijs, kvantu datori izmanto kvantu sistēmas, piemēram, atomus, jonus, fotonus vai elektronus. Tie izmanto kvantu pazīmes, lai attēlotu bitus, kurus var izveidot dažādās kvantu superpozīcijās 1 un 0.
Tātad, ko tieši šajā kontekstā nozīmē termins “kvants”? Vai tas ir būtisks lēciens?
Termins kvants cēlies no latīņu vārda quantum, kas nozīmē "daudzums". Fizikā tas ir "diskrēts enerģijas daudzums, kas ir proporcionāls tā pārstāvētā starojuma frekvencei". Diskrēts attiecas uz kaut ko, kas nav ne nepārtraukts, ne atšķirīgs. Kvanti šajā nozīmē attiecas uz unikāliem vai nozīmīgiem daudzumiem.
Kas ir kvantu skaitļošana?
Kvantu skaitļošana izmanto algebriskās metodes, lai izveidotu aprēķinu algoritmus, kas bieži ir tādi paši vai līdzīgi tiem, ko izmanto kvantu fizikā. Savukārt kvantu mehānika attiecas uz pamata fizikas teoriju, kas iedziļinās dabas fizisko īpašību skaidrojumā atomu un subatomisko daļiņu lielumā.
A kvantu dators tādējādi ir hipotētisks dators, kas spēj īstenot šādus algoritmus. Tā rezultātā kvantu datori pamatā ir balstīti uz kvantu bitiem, kas pazīstami arī kā kubiti, kurus var izveidot no viena elektrona.
Kvantu materiāls darbojas saskaņā ar kvantu mehānikas noteikumiem, izmantojot tādus jēdzienus kā varbūtības aprēķins, superpozīcija un sapīšanās. Šīs idejas kalpo par pamatu kvantu algoritmiem, kas izmanto kvantu datoru iespējas, lai risinātu sarežģītas problēmas.
Šajā rakstā es apspriedīšu visu, kas jums jāzina par kvantu sapīšanu.
Kas ir kvantu sapīšanās?
Kvantu sapīšanās notiek, ja divas sistēmas ir tik cieši saistītas, ka, zinot par vienu, jūs nekavējoties iegūstat zināšanas par otru neatkarīgi no tā, cik tālu tās atrodas.
Tādus zinātniekus kā Einšteins bija neizpratnē šī parādība, ko viņš nodēvēja par "baiļojošu darbību no attāluma", jo tā pārkāpa noteikumu, ka informāciju nevar nosūtīt ātrāk par gaismas ātrumu. Papildu eksperimenti, izmantojot fotonus un elektronus, tomēr apstiprināja saķeršanos.
Sapīšanās ir kvantu skaitļošanas stūrakmens. Kvantu sapīšanās fizikā attiecas uz ļoti spēcīgu saikni starp kvantu daļiņām. Šis savienojums ir tik spēcīgs, ka divas vai vairākas kvantu daļiņas var būt nepielūdzami savienotas, kamēr tās atdala milzīgi attālumi.
Lai to labāk izprastu, apsveriet vienkāršu salīdzinājumu, kas nav saistīts ar fiziku vai skaitļošanu. Padomājiet, kas notiktu, ja tiktu iemesta nevis viena, bet divas monētas. Parasti tam, vai viena monēta nokrīt uz galvas vai astes, ir maza ietekme uz otrās monētas mešanas iznākumu.
Tomēr sapīšanās gadījumā abas daļas ir savienotas vai sapinušās neatkarīgi no tā, vai tās ir fiziski nošķirtas. Šajā gadījumā, ja viena monēta nokrīt uz galvām, otrā monēta tāpat parādīs galviņas un otrādi.
Izpratne par kvantu sapīšanu (ar piemēru)
Kvantu sapīšanās patiešām ir situācija, kurā divas sistēmas (parasti elektroni vai fotoni) ir tik cieši saistītas, ka, iegūstot informāciju par vienas sistēmas “stāvokli” (elektronu griešanās virzienu, teiksim “Uz augšu”), tiktu iegūtas tūlītējas zināšanas par otras sistēmas stāvokli. “stāvoklis” (otrā elektrona griešanās virziens, sakiet “uz leju”) neatkarīgi no tā, cik tālu viena no otras šīs sistēmas pastāv.
Frāzes "tūlītēja" un "neatkarīgi no tā, cik tālu tās atrodas" ir nozīmīgas. Šī parādība ir mulsinājusi tādus zinātniekus kā Einšteins, jo stāvoklis nav definēts, kamēr tas nav izmērīts, un informācijas pārraide pārkāpj klasiskās fizikas likumu, ka informāciju nevar pārnest ātrāk par gaismas ātrumu.
Tomēr kopš astoņdesmitajiem gadiem ir pierādīts, ka sapīšanās izmanto gan fotonus, gan elektronus, pateicoties pētījumiem un testiem, kas sākās 1980. gados.
Var izveidot divas subatomiskas daļiņas (elektronus), lai tās varētu aprakstīt ar vienu viļņu funkciju. Sapīšanos var panākt ar vienu metodi, ļaujot pamatdaļiņai ar nulles spiniem sadalīties divās sapinušās meitas daļiņās ar vienādiem, bet pretējiem spiniem.
Ja divas meitas daļiņas ne ar ko nesadarbojas, to viļņu funkcijas paliks vienādas un pretējas neatkarīgi no tā, cik tālu viena no otras tiek mērītas. Zinātnieki, pārbaudot, konstatēja, ka sapīšanās laiks neietekmēja informāciju.
Tā vietā informācija tiek nosūtīta otrai daļiņai ar ātrumu, kas ir ātrāks par gaismas ātrumu tikai tad, kad tiek mērīta vienas daļiņas informācija.
Rezultātā informācija plūst šādā tempā. Taču mēs to nekontrolējam – šis kontroles trūkums ierobežo kvantu sapīšanās izmantošanu, piemēram, ziņas vai citas informācijas sūtīšanu ātrāk par gaismas ātrumu.
Kādu lomu kvantu skaitļošanā spēlē sapīšanās?
Mainot sapinusies kubita stāvokli, kvantu datoros uzreiz tiek mainīts pārī savienotā kubīta stāvoklis. Rezultātā sapīšanās paātrina kvantu datoru apstrādes ātrumu.
Tā kā viena kubita apstrāde atklāj informāciju par daudziem kubitiem, kubitu skaita dubultošana ne vienmēr palielina procesu skaitu (ti, sapinušos kubitus).
Saskaņā ar pētījumiem kvantu sapīšanās ir nepieciešama, lai kvantu algoritms nodrošinātu eksponenciālu paātrinājumu salīdzinājumā ar klasiskajiem aprēķiniem.
Sajaukšanas lietojumprogrammas kvantu skaitļošanā
Vairākas lietojumprogrammas var gūt labumu no šīs unikālās fiziskās īpašības, kas mainīs mūsu tagadni un nākotni. Kvantu šifrēšana, īpaši blīva kodēšana, varbūt ātrāka par gaismu pārraide un pat teleportācija var būt iespējota sapīšanās.
Kvantu datoriem ir potenciāls risināt laika un apstrādes jaudas ietilpīgas problēmas dažādās nozarēs, tostarp finanšu un banku jomā.
Kvantu sapīšanās ir parādība, kas var palīdzēt šādiem datoriem, samazinot laiku un apstrādes jaudu, kas nepieciešama datu plūsmas apstrādei starp to kubitiem.
1. Kvantu kriptogrāfija
Klasiskajā kriptogrāfijā sūtītājs kodē ziņojumu ar vienu atslēgu, bet adresāts to atkodē ar koplietoto atslēgu. Tomēr pastāv risks, ka trešā puse iegūs zināšanas par atslēgām un varēs pārtvert un graut kriptogrāfiju.
Droša kanāla izveide starp abām pusēm ir nesalaužamas kriptogrāfijas stūrakmens. Sapīšanās to var izraisīt. Tā kā abas sistēmas ir sapinušās, tās ir savstarpēji saistītas (kad viena mainās, mainās arī otra), un neviena trešā puse nedalīsies šajā korelācijā.
Kvantu kriptogrāfija gūst labumu arī no klonēšanas, kas nozīmē, ka nav iespējams ģenerēt identisku nezināma kvantu stāvokļa kopiju. Tā rezultātā nav iespējams replicēt datus, kas kodēti kvantu stāvoklī.
Ar necaurlaidīgu kvantu atslēgu sadalījumu kvantu kriptogrāfija jau ir realizēta (QKD). QKD izmanto nejauši polarizētus fotonus, lai paziņotu informāciju par atslēgu. Adresāts atšifrē atslēgu, izmantojot polarizācijas filtrus un ziņojuma šifrēšanai izmantoto paņēmienu.
Slepenie dati joprojām tiek pārsūtīti, izmantojot standarta sakaru līnijas, bet tikai precīza kvantu atslēga var atšifrēt ziņojumu. Tā kā polarizēto fotonu “lasīšana” maina to stāvokli, jebkura noklausīšanās brīdina komunikatorus par ielaušanos.
QKD tehnoloģiju pašlaik ierobežo optiskās šķiedras kabelis, kas var nogādāt fotonu aptuveni 100 km garumā, pirms kļūst pārāk vājš uztveršanai. 2004. gadā Austrijā tika veikts pirmais sajauktais QKD bankas pārvedums.
Pārliecinoties, ka nepārprotami drošas, uz fiziskiem principiem balstītu sakaru pārraidei ir acīmredzams pielietojums finanšu, banku, militārajā, medicīnas un citās nozarēs. Vairāki uzņēmumi tagad izmanto sapinušos QKD.
2. Kvantu teleportācija
Kvantu teleportācija ir arī metode kvantu informācijas pārraidīšanai starp divām pusēm, piemēram, fotoniem, atomiem, elektroniem un supravadošām shēmām. Saskaņā ar pētījumiem teleportācija ļauj QC darboties paralēli, vienlaikus patērējot mazāk elektroenerģijas, samazinot enerģijas patēriņu par 100 līdz 1000 reizēm.
Atšķirība starp kvantu teleportāciju un kvantu kriptogrāfiju ir šāda:
- Kvantu teleportācijas apmaiņa Klasiskā kanālā tiek nosūtīta “kvantu” informācija.
- Kvantu kriptogrāfijas apmaiņa Pa kvantu kanālu tiek nosūtīta “klasiskā” informācija.
Kvantu datoru enerģijas vajadzības rada siltumu, kas ir izaicinājums, ņemot vērā, ka tiem jādarbojas tik zemā temperatūrā. Teleportācijai ir potenciāls radīt dizaina risinājumus, kas paātrinās kvantu skaitļošanas attīstību.
3. Bioloģiskā sistēma
Cilvēka ķermenis, tāpat kā visas radības, nemitīgi mainās miljoniem ķīmisko un bioloģisko procesu mijiedarbības dēļ. Vēl nesen tika pieņemts, ka tie ir lineāri, un “A” noveda pie “B”. Tomēr kvantu bioloģija un biofizika ir atklājusi milzīgu saskaņotību bioloģiskajās sistēmās, un QE spēlē lomu.
Veids, kā dažādas apakšvienības olbaltumvielu struktūras ir iesaiņoti kopā, ir izstrādāti, lai nodrošinātu ilgstošu kvantu sapīšanu un saskaņotību. Kvantu bioloģija joprojām ir teorētiska tēma ar dažādām neatbildētām bažām; kad tie tiks risināti, pieteikumi medicīnā kļūs arvien redzamāki.
Kvantu skaitļošana teorētiski var vairāk līdzināties dabai (imitējot atomu savienojumu) un kvantu bioloģiskajām sistēmām nekā klasiskie datori.
4. Superdense Coding
Superdense kodēšana ir metode divu parastu informācijas bitu pārsūtīšanai, izmantojot vienu sapinušo kubitu. Īpaši blīvs kods var:
- Ļauj lietotājam pirms laika nosūtīt pusi no tā, kas nepieciešams, lai rekonstruētu klasisko ziņojumu, ļaujot lietotājam sazināties ar divkāršu ātrumu, līdz beidzas iepriekš piegādātie kubiti.
- Divvirzienu kvantu kanāla jauda vienā virzienā tiek dubultota.
- Pārvērtiet liela latentuma joslas platumu uz zema latentuma joslas platumu, pārsūtot pusi datu pa liela latentuma kanālu, lai atbalstītu datus, kas ienāk pa zema latentuma kanālu.
Katra komunikācijas paaudze ir prasījusi vairāk datu pārsūtīšanas. Salīdzināms informācijas pieaugums būs iespējams ar superblīvu kodēšanu.
Secinājumi
Kvantu sapīšanās var ļaut mums strādāt ar datiem iepriekš neiedomājamos veidos. Integrējot kvantu skaitļošanu ar sapīšanu, mēs varēsim efektīvāk un drošāk atbildēt uz jautājumiem, kas prasa milzīgu datu apjomu.
Pievienojot bioloģiskos un astronomiskos lietojumus, QE varētu izmantot, lai atbildētu uz jautājumiem, par kuriem cilvēki jau sen ir domājuši: no kurienes mēs nākām un kā tas viss sākās?
Jo vairāk attīstās tehnoloģija, jo vairāk pielietojumu mēs tam atradīsim — tam ir milzīgs solījums!
Atstāj atbildi