Inhoudsopgave[Zich verstoppen][Laten zien]
Quantum computing verwerkt gegevens met behulp van quantummechanica-principes. Als gevolg hiervan vereist quantum computing een andere benadering dan klassieke computing. De processor die wordt gebruikt in kwantumcomputers is een voorbeeld van dit onderscheid.
Terwijl traditionele computers op silicium gebaseerde processors gebruiken, gebruiken kwantumcomputers kwantumsystemen zoals atomen, ionen, fotonen of elektronen. Ze gebruiken kwantumfuncties om bits weer te geven die kunnen worden gemaakt in verschillende kwantumsuperposities van 1 en 0.
Dus, wat betekent de term "kwantum" precies in deze context? Is het een grote sprong?
De term kwantum is afgeleid van het Latijnse woord kwantum, wat 'hoeveelheid' betekent. Het is een 'discrete hoeveelheid energie die in grootte evenredig is met de frequentie van de straling die het vertegenwoordigt' in de natuurkunde. Discreet verwijst naar iets dat niet continu of onderscheidend is. Quantum verwijst in deze zin naar unieke of significante bedragen.
Wat is kwantumcomputers?
Quantum computing gebruikt algebraïsche methoden om algoritmen voor berekeningen te construeren, die vaak hetzelfde of vergelijkbaar zijn met die in de kwantumfysica. Kwantummechanica verwijst op zijn beurt naar een fundamentele natuurkundetheorie die zich verdiept in de verklaring van de fysieke eigenschappen van de natuur ter grootte van atomen en subatomaire deeltjes.
A kwantumcomputer is dus een hypothetische computer die dergelijke algoritmen kan implementeren. Als gevolg hiervan zijn kwantumcomputers fundamenteel gebaseerd op kwantumbits, ook wel qubits genoemd, die kunnen worden gemaakt uit een enkel elektron.
Het kwantummateriaal gedraagt zich volgens de regels van de kwantummechanica, gebruikmakend van begrippen als probabilistische berekening, superpositie en verstrikking. Deze ideeën dienen als basis voor kwantumalgoritmen, die de mogelijkheden van kwantumcomputers gebruiken om gecompliceerde problemen aan te pakken.
In dit artikel bespreek ik alles wat je moet weten over kwantumverstrengeling.
Wat is kwantumverstrengeling?
Kwantumverstrengeling treedt op wanneer twee systemen zo nauw met elkaar verbonden zijn dat kennis over het ene je onmiddellijke kennis geeft van het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.
Wetenschappers zoals Einstein waren verbijsterd door dit fenomeen, dat hij "een spookachtige actie op afstand" noemde, omdat het de regel overtrad dat geen informatie sneller kan worden verzonden dan de snelheid van het licht. Aanvullende experimenten met fotonen en elektronen bevestigden echter verstrengeling.
Verstrengeling is de hoeksteen van quantum computing. Kwantumverstrengeling in de natuurkunde verwijst naar een zeer sterke link tussen kwantumdeeltjes. Deze verbinding is zo sterk dat twee of meer kwantumdeeltjes onverbiddelijk met elkaar verbonden kunnen zijn terwijl ze door enorme afstanden van elkaar gescheiden zijn.
Om dit beter te begrijpen, kunt u een eenvoudige vergelijking overwegen die niets met natuurkunde of informatica te maken heeft. Bedenk wat er zou gebeuren als er niet één, maar twee munten werden gegooid. Gewoonlijk heeft het weinig invloed op de uitkomst van de tweede toss of een munt op kop of munt terechtkomt.
In het geval van verstrengeling zijn beide delen echter verbonden of verstrengeld, ongeacht of ze fysiek gescheiden zijn. In dit geval, als een munt op kop valt, zal de tweede munt eveneens kop tonen, en vice versa.
Kwantumverstrengeling begrijpen (met voorbeeld)
Kwantumverstrengeling is inderdaad een situatie waarin twee systemen (meestal elektronen of fotonen) zo nauw met elkaar verbonden zijn dat het verkrijgen van informatie over de "toestand" van het ene systeem (de richting van de spin van het elektron, zeg maar "omhoog") onmiddellijke kennis zou opleveren over de toestand van het andere systeem. "toestand" (de richting van de spin van het tweede elektron, zeg "omlaag"), ongeacht hoe ver deze systemen van elkaar verwijderd zijn.
De uitdrukkingen "onmiddellijk" en "ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn" zijn veelbetekenend. Dit fenomeen heeft wetenschappers zoals Einstein verbijsterd, aangezien de toestand niet wordt gedefinieerd totdat deze is gemeten, en informatieoverdracht de klassieke natuurkundige regel tart dat informatie niet sneller kan worden overgedragen dan de snelheid van het licht.
Het is echter bewezen dat verstrengeling sinds de jaren tachtig zowel fotonen als elektronen gebruikt, dankzij onderzoek en testen dat in de jaren tachtig begon.
Twee subatomaire deeltjes (elektronen) kunnen worden geproduceerd zodat ze kunnen worden beschreven door een enkele golffunctie. Verstrengeling kan in één methode worden bereikt door een ouderdeeltje met nul spins te laten vervallen in twee verstrengelde dochterdeeltjes met gelijke maar tegengestelde spins.
Als twee dochterdeeltjes met niets interageren, zullen hun golffuncties gelijk en tegengesteld blijven, ongeacht hoe ver ze uit elkaar worden gemeten. Wetenschappers hebben via testen vastgesteld dat het tijdstip van verstrikking geen invloed had op de informatie.
In plaats daarvan wordt informatie naar het andere deeltje gestuurd met een snelheid die sneller is dan de lichtsnelheid, alleen wanneer de informatie van één deeltje wordt gemeten.
Als gevolg hiervan stroomt de informatie in dit tempo. Maar we hebben er geen controle over - dit gebrek aan controle beperkt het gebruik van Quantum Entanglement, zoals het verzenden van een bericht of andere informatie sneller dan de snelheid van het licht.
Welke rol speelt verstrengeling in quantum computing?
Het veranderen van de toestand van een verstrengelde qubit verandert onmiddellijk de toestand van de gepaarde qubit in kwantumcomputers. Als gevolg hiervan versnelt verstrengeling de verwerkingssnelheid van kwantumcomputers.
Omdat het verwerken van één qubit informatie onthult over een groot aantal qubits, betekent een verdubbeling van het aantal qubits niet noodzakelijkerwijs een toename van het aantal processen (dwz de verstrengelde qubits).
Kwantumverstrengeling is volgens studies vereist voor een kwantumalgoritme om een exponentiële versnelling te leveren ten opzichte van klassieke berekeningen.
Verstrengeling toepassingen in quantum computing
Verschillende toepassingen kunnen profiteren van deze unieke fysieke eigenschap, die ons heden en onze toekomst zal veranderen. Kwantumversleuteling, superdense codering, misschien sneller-dan-lichttransmissie en zelfs teleportatie kunnen allemaal mogelijk worden gemaakt door verstrengeling.
Quantumcomputers hebben het potentieel om tijd- en verwerkingsintensieve uitdagingen aan te gaan in een verscheidenheid aan industrieën, waaronder financiën en bankieren.
Kwantumverstrengeling is een fenomeen dat dergelijke computers zou kunnen helpen door de hoeveelheid tijd en verwerkingskracht te verminderen die nodig is om de gegevensstroom tussen hun qubits af te handelen.
1. Kwantumcryptografie
Bij klassieke cryptografie codeert de afzender het bericht met één sleutel, terwijl de ontvanger het decodeert met de gedeelde sleutel. Het gevaar bestaat echter dat een derde partij kennis over de sleutels krijgt en cryptografie kan onderscheppen en ondermijnen.
Het creëren van een veilig kanaal tussen de twee partijen is de hoeksteen van onbreekbare cryptografie. Verstrengeling kan dit veroorzaken. Omdat de twee systemen met elkaar verstrengeld zijn, zijn ze met elkaar gecorreleerd (wanneer de ene verandert, verandert ook de andere), en geen enkele derde partij zal deze correlatie delen.
Kwantumcryptografie profiteert ook van niet-klonen, wat betekent dat het onmogelijk is om een identieke replica van een onbekende kwantumtoestand te genereren. Als gevolg hiervan is het onmogelijk om gegevens te repliceren die zijn gecodeerd in een kwantumtoestand.
Met een ondoordringbare kwantumsleuteldistributie is kwantumcryptografie al gerealiseerd (QKD). QKD gebruikt willekeurig gepolariseerde fotonen om informatie over de sleutel te communiceren. De ontvanger ontcijfert de sleutel met behulp van polarisatiefilters en de techniek die wordt gebruikt om het bericht te versleutelen.
De geheime gegevens worden nog steeds overgedragen via standaard communicatielijnen, maar alleen de exacte kwantumsleutel kan het bericht decoderen. Omdat het "lezen" van de gepolariseerde fotonen hun toestand verandert, waarschuwt afluisteren de communicators voor de inbraak.
QKD-technologie wordt momenteel beperkt door glasvezelkabel, die een foton kan leveren voor ongeveer 100 km voordat hij te zwak wordt om te ontvangen. In 2004 vond de eerste verstrengelde QKD-bankoverschrijving plaats in Oostenrijk.
Ervoor zorgen dat de overdracht van onbreekbare en fraudebestendige communicatie die aantoonbaar veilig is op basis van fysieke principes, voor de hand liggende toepassingen heeft in de financiële, bank-, militaire, medische en andere sectoren. Verschillende bedrijven gebruiken nu verstrengelde QKD.
2. Kwantumteleportatie
Kwantumteleportatie is ook de methode voor het verzenden van kwantuminformatie tussen twee partijen, zoals fotonen, atomen, elektronen en supergeleidende circuits. Volgens onderzoek stelt teleportatie QC's in staat om parallel te werken terwijl ze minder elektriciteit verbruiken, waardoor het stroomverbruik 100 tot 1000 keer wordt verlaagd.
Het onderscheid tussen kwantumteleportatie en kwantumcryptografie is als volgt:
- Uitwisselingen van kwantumteleportatie Via een klassiek kanaal wordt 'kwantum'-informatie verzonden.
- Uitwisselingen van kwantumcryptografie Over een kwantumkanaal wordt 'klassieke' informatie verzonden.
De stroombehoefte van kwantumcomputers genereert warmte, wat een uitdaging is omdat ze bij zulke lage temperaturen moeten werken. Teleportatie heeft het potentieel om te leiden tot ontwerpoplossingen die de ontwikkeling van quantum computing zullen versnellen.
3. Biologisch systeem
Het menselijk lichaam verandert, net als alle wezens, voortdurend door de interactie van miljoenen chemische en biologische processen. Tot voor kort werd aangenomen dat ze lineair waren, waarbij 'A' leidde tot 'B'. De kwantumbiologie en biofysica hebben echter een enorme hoeveelheid samenhang ontdekt binnen biologische systemen, waarbij QE een rol speelt.
De manier waarop de diverse subeenheden van eiwit structuren zijn samengepakt is ontwikkeld om duurzame kwantumverstrengeling en coherentie mogelijk te maken. Kwantumbiologie is nog steeds een theoretisch onderwerp met verschillende onbeantwoorde zorgen; wanneer ze worden aangepakt, zullen toepassingen in de geneeskunde steeds zichtbaarder worden.
Quantum computing lijkt in theorie mogelijk beter op de natuur (door atomaire binding te simuleren) en kwantumbiologische systemen dan klassieke computers.
4. Superdense-codering
Superdense codering is de methode voor het verzenden van twee conventionele bits informatie met behulp van een enkele verstrengelde qubit. Code die superdicht is, kan:
- Hiermee kan de gebruiker de helft van wat nodig is om een klassiek bericht te reconstrueren van tevoren verzenden, waardoor de gebruiker met dubbele snelheid kan communiceren totdat de vooraf geleverde qubits op zijn.
- De capaciteit van een bidirectioneel kwantumkanaal in één richting wordt verdubbeld.
- Converteer bandbreedte met hoge latentie naar bandbreedte met lage latentie door de helft van de gegevens via het kanaal met hoge latentie te verzenden om de gegevens die binnenkomen via het kanaal met lage latentie te ondersteunen.
Elke generatie communicatie vraagt om meer gegevensoverdracht. Een vergelijkbare informatiewinst zal mogelijk zijn met superdense codering.
Conclusie
Kwantumverstrengeling kan ons in staat stellen om op voorheen ondenkbare manieren met gegevens te werken. Door kwantumcomputing te integreren met verstrengeling, zullen we in staat zijn om op een efficiëntere en veiligere manier problemen op te lossen die een enorme hoeveelheid data vereisen.
Met de toevoeging van biologische en astronomische toepassingen kan QE worden gebruikt om de problemen te beantwoorden waar mensen al lang over nadenken: waar komen we vandaan en hoe is het allemaal begonnen?
Hoe meer technologische vooruitgang, hoe meer toepassingen we ervoor zullen vinden - het belooft veel!
Laat een reactie achter