Spis treści[Ukryć][Pokazać]
Obliczenia kwantowe przetwarzają dane przy użyciu zasad mechaniki kwantowej. W rezultacie obliczenia kwantowe wymagają innego podejścia niż obliczenia klasyczne. Procesor używany w komputerach kwantowych jest jednym z przykładów tego rozróżnienia.
Podczas gdy tradycyjne komputery wykorzystują procesory oparte na krzemie, komputery kwantowe wykorzystują układy kwantowe, takie jak atomy, jony, fotony lub elektrony. Wykorzystują cechy kwantowe do reprezentowania bitów, które mogą być tworzone w różnych superpozycjach kwantowych 1 i 0.
Co więc dokładnie oznacza termin „kwant” w tym kontekście? Czy to znaczący skok?
Termin kwant pochodzi od łacińskiego słowa kwant, co oznacza „ilość”. W fizyce jest to „dyskretna ilość energii proporcjonalna co do wielkości do częstotliwości promieniowania, które reprezentuje”. Dyskretny odnosi się do czegoś, co nie jest ani ciągłe, ani odrębne. Quantum odnosi się w tym sensie do unikalnych lub znaczących ilości.
Czym są obliczenia kwantowe?
Obliczenia kwantowe wykorzystuje metody algebraiczne do konstruowania algorytmów obliczeń, które często są takie same lub podobne do tych stosowanych w fizyce kwantowej. Mechanika kwantowa z kolei odnosi się do podstawowej teorii fizyki, która zagłębia się w wyjaśnienie fizycznych właściwości natury na podstawie wielkości atomów i cząstek subatomowych.
A komputer kwantowy jest zatem hipotetycznym komputerem zdolnym do implementacji takich algorytmów. W rezultacie komputery kwantowe są zasadniczo oparte na bitach kwantowych, znanych również jako kubity, które mogą być tworzone z pojedynczego elektronu.
Materiał kwantowy zachowuje się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, wykorzystując pojęcia takie jak obliczenia probabilistyczne, superpozycja i uwikłanie. Pomysły te stanowią podstawę algorytmów kwantowych, które wykorzystują możliwości komputerów kwantowych do rozwiązywania skomplikowanych problemów.
W tym artykule omówię wszystko, co musisz wiedzieć o splątaniu kwantowym.
Co to jest splątanie kwantowe?
Splątanie kwantowe występuje, gdy dwa systemy są tak blisko powiązane, że wiedza o jednym daje natychmiastową wiedzę o drugim, bez względu na to, jak daleko są od siebie.
Naukowcy tacy jak Einstein byli zdumieni tym zjawiskiem, które nazwał „upiornym działaniem na odległość”, ponieważ łamało ono zasadę, że żadne informacje nie mogą być przesyłane szybciej niż prędkość światła. Dodatkowe eksperymenty z użyciem fotonów i elektronów potwierdziły jednak splątanie.
Splątanie jest kamieniem węgielnym komputerów kwantowych. Splątanie kwantowe w fizyce odnosi się do bardzo silnego związku między cząstkami kwantowymi. To połączenie jest tak silne, że dwie lub więcej cząstek kwantowych może być nieuchronnie połączonych, będąc oddzielonych ogromnymi odległościami.
Aby lepiej to zrozumieć, rozważ proste porównanie, które nie jest związane z fizyką ani informatyką. Zastanów się, co by się stało, gdyby rzucono nie jedną, ale dwiema monetami. Zwykle to, czy jedna moneta wyląduje na orzeł czy reszka, ma niewielki wpływ na wynik drugiego rzutu monetą.
Jednak w przypadku splątania obie części są połączone lub splątane, niezależnie od tego, czy są fizycznie rozdzielone. W tym przypadku, jeśli jedna moneta wyląduje na orzeł, druga moneta również pokaże reszki i odwrotnie.
Zrozumienie splątania kwantowego (z przykładem)
Splątanie kwantowe jest rzeczywiście sytuacją, w której dwa układy (zwykle elektrony lub fotony) są tak ściśle powiązane, że uzyskanie informacji o „stanie” jednego układu (kierunku wirowania elektronu, powiedzmy „do góry”) dałoby natychmiastową wiedzę o stanie drugiego układu. „stan” (kierunek wirowania drugiego elektronu, powiedzmy „w dół”) niezależnie od tego, jak daleko od siebie istnieją te układy.
Wyrażenia „natychmiast” i „niezależnie od tego, jak daleko są od siebie” są znaczące. Zjawisko to wprawiało w zakłopotanie naukowców, takich jak Einstein, ponieważ stan nie jest zdefiniowany, dopóki nie zostanie zmierzony, a transmisja informacji jest sprzeczna z klasyczną zasadą fizyki, że informacja nie może być przenoszona z prędkością większą niż prędkość światła.
Jednak od lat 1980. udowodniono, że splątanie wykorzystuje zarówno fotony, jak i elektrony, dzięki badaniom i testom rozpoczętym w latach 1980.
Można wytworzyć dwie cząstki subatomowe (elektrony), które można opisać za pomocą jednej funkcji falowej. Splątanie można osiągnąć za pomocą jednej metody, pozwalając macierzystej cząstce o zerowych spinach na rozpad na dwie splątane cząstki pochodne o równych, ale przeciwnych spinach.
Jeśli dwie cząstki potomne nie oddziałują z niczym, ich funkcje falowe pozostaną równe i przeciwstawne, bez względu na to, jak daleko są mierzone. Naukowcy ustalili za pomocą testów, że czas splątania nie miał wpływu na informacje.
Zamiast tego informacje są wysyłane do drugiej cząstki z szybkością większą niż prędkość światła tylko wtedy, gdy mierzona jest informacja o jednej cząstce.
W rezultacie informacje przepływają w takim tempie. Ale nie mamy nad tym kontroli – ten brak kontroli ogranicza możliwości wykorzystania Splątania Kwantowego, takie jak wysyłanie wiadomości lub innych informacji z prędkością większą niż prędkość światła.
Jaką rolę odgrywa splątanie w komputerach kwantowych?
Zmiana stanu splątanego kubitu natychmiastowo zmienia stan sparowanego kubitu w komputerach kwantowych. W rezultacie splątanie przyspiesza szybkość przetwarzania komputerów kwantowych.
Ponieważ przetwarzanie jednego kubitu ujawnia informacje o wielu kubitach, podwojenie liczby kubitów niekoniecznie zwiększa liczbę procesów (tj. kubitów splątanych).
Według badań splątanie kwantowe jest wymagane, aby algorytm kwantowy zapewniał wykładnicze przyspieszenie w porównaniu z klasycznymi obliczeniami.
Zastosowania splątania w komputerach kwantowych
Kilka zastosowań może skorzystać z tej jedynej w swoim rodzaju właściwości fizycznej, która zmieni naszą teraźniejszość i przyszłość. Szyfrowanie kwantowe, kodowanie supergęste, być może transmisja szybsza od światła, a nawet teleportacja mogą być możliwe dzięki splątaniu.
Komputery kwantowe mają potencjał, aby stawić czoła wyzwaniom wymagającym dużej ilości czasu i mocy obliczeniowej w różnych branżach, w tym w finansach i bankowości.
Splątanie kwantowe to zjawisko, które może pomóc takim komputerom, zmniejszając ilość czasu i moc obliczeniową wymaganą do obsługi przepływu danych między ich kubitami.
1. Kryptografia kwantowa
W kryptografii klasycznej nadawca koduje wiadomość jednym kluczem, a odbiorca dekoduje ją kluczem współdzielonym. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że osoba trzecia zdobędzie wiedzę o kluczach i będzie w stanie przechwycić i podważyć kryptografię.
Stworzenie bezpiecznego kanału między dwiema stronami jest podstawą niezniszczalnej kryptografii. Splątanie może to spowodować. Ponieważ te dwa systemy są splątane, są ze sobą skorelowane (gdy jeden się zmienia, zmienia się też drugi) i żadna strona trzecia nie podziela tej korelacji.
Kryptografia kwantowa korzysta również z braku klonowania, co oznacza, że niemożliwe jest wygenerowanie identycznej repliki nieznanego stanu kwantowego. W rezultacie niemożliwe jest replikowanie danych zakodowanych w stanie kwantowym.
Dzięki nieprzeniknionej dystrybucji klucza kwantowego kryptografia kwantowa została już zrealizowana (QKD). QKD wykorzystuje losowo spolaryzowane fotony do przekazywania informacji o kluczu. Odbiorca odszyfrowuje klucz za pomocą filtrów polaryzacyjnych i techniki użytej do zaszyfrowania wiadomości.
Tajne dane są nadal przesyłane przez standardowe linie komunikacyjne, ale tylko dokładny klucz kwantowy może odszyfrować wiadomość. Ponieważ „odczytywanie” spolaryzowanych fotonów zmienia ich stany, każde podsłuchiwanie ostrzega komunikatory o wtargnięciu.
Technologia QKD jest obecnie ograniczona przez kabel światłowodowy, który może dostarczyć foton na odległość około 100 km, zanim stanie się zbyt słaby, aby go odebrać. W 2004 r. w Austrii miał miejsce pierwszy przelew bankowy QKD w formie zawiłej.
Upewnienie się, że transmisja niezniszczalnej i odpornej na manipulacje komunikacji, która jest bezpieczna w oparciu o zasady fizyczne, ma oczywiste zastosowania w finansach, bankowości, wojsku, medycynie i innych sektorach. Kilka firm używa obecnie splątanego QKD.
2. Teleportacja kwantowa
Teleportacja kwantowa to także metoda przesyłania informacji kwantowych między dwoma stronami, takimi jak fotony, atomy, elektrony i obwody nadprzewodzące. Według badań teleportacja pozwala QC pracować równolegle przy mniejszym zużyciu energii elektrycznej, zmniejszając zużycie energii od 100 do 1000 razy.
Rozróżnienie między teleportacją kwantową a kryptografią kwantową jest następujące:
- Wymiana teleportacji kwantowej Kanałem klasycznym przesyłana jest informacja „kwantowa”.
- Wymiana kryptografii kwantowej Kanałem kwantowym przesyłane są „klasyczne” informacje.
Potrzeby energetyczne komputerów kwantowych generują ciepło, co stanowi wyzwanie, biorąc pod uwagę, że muszą one działać w tak niskich temperaturach. Teleportacja ma potencjał, by doprowadzić do rozwiązań projektowych, które przyspieszą rozwój komputerów kwantowych.
3. System biologiczny
Ciało ludzkie, podobnie jak wszystkie stworzenia, nieustannie się zmienia w wyniku interakcji milionów procesów chemicznych i biologicznych. Do niedawna zakładano, że są one liniowe, gdzie „A” prowadzi do „B”. Jednak biologia kwantowa i biofizyka odkryły ogromną ilość spójności wewnątrz systemów biologicznych, w której QE odgrywa pewną rolę.
Sposób, w jaki zróżnicowane podjednostki struktury białkowe są pakowane razem, jest rozwijany, aby umożliwić trwałe kwantowe splątanie i spójność. Biologia kwantowa jest nadal tematem teoretycznym z różnymi problemami bez odpowiedzi; kiedy zostaną zaadresowane, zastosowania w medycynie staną się coraz bardziej widoczne.
Teoretycznie komputery kwantowe mogą lepiej przypominać naturę (poprzez symulowanie wiązań atomowych) i systemy biologii kwantowej niż klasyczne komputery.
4. Kodowanie supergęste
Kodowanie supergęste to metoda przesyłania dwóch konwencjonalnych bitów informacji za pomocą pojedynczego kubitu splątanego. Kod, który jest bardzo gęsty, może:
- Pozwala użytkownikowi wysłać połowę tego, co jest potrzebne do zrekonstruowania klasycznej wiadomości z wyprzedzeniem, umożliwiając użytkownikowi komunikację z podwójną prędkością, aż do wyczerpania wcześniej dostarczonych kubitów.
- Dwukierunkowa pojemność kanału kwantowego w jednym kierunku jest podwojona.
- Konwertuj przepustowość o dużym opóźnieniu na przepustowość o niskim opóźnieniu, przesyłając połowę danych przez kanał o dużym opóźnieniu, aby obsłużyć dane przychodzące przez kanał o niskim opóźnieniu.
Każda generacja komunikacji wymagała większego transferu danych. Porównywalne zwiększenie ilości informacji będzie możliwe przy kodowaniu supergęstym.
Wnioski
Splątanie kwantowe może pozwolić nam pracować z danymi w niewyobrażalny wcześniej sposób. Integrując obliczenia kwantowe ze splątaniem, będziemy w stanie odpowiedzieć na problemy wymagające ogromnych ilości danych w bardziej wydajny i bezpieczny sposób.
Po dodaniu zastosowań biologicznych i astronomicznych QE może zostać wykorzystane do odpowiedzi na pytania, nad którymi ludzie zastanawiali się od dawna: skąd przybyliśmy i jak to wszystko się zaczęło?
Im bardziej rozwinie się technologia, tym więcej zastosowań znajdziemy dla niej — jest to ogromna obietnica!
Dodaj komentarz