Cuprins[Ascunde][Spectacol]
Calculul cuantic prelucrează datele folosind principiile mecanicii cuantice. Ca rezultat, calculul cuantic necesită o abordare diferită de calculul clasic. Procesorul folosit în calculatoarele cuantice este un exemplu al acestei distincții.
În timp ce computerele tradiționale folosesc procesoare pe bază de siliciu, computerele cuantice folosesc sisteme cuantice precum atomii, ionii, fotonii sau electronii. Ei folosesc caracteristici cuantice pentru a reprezenta biții care pot fi creați în diferite suprapoziții cuantice de 1 și 0.
Deci, ce înseamnă exact termenul „cuantic” în acest context? Este un salt semnificativ?
Termenul quantum derivă din cuvântul latin quantum, care înseamnă „cantitate”. Este o „cantitate discretă de energie proporțională ca mărime cu frecvența radiației pe care o reprezintă” în fizică. Discret se referă la ceva care nu este nici continuu, nici distinct. Quantum se referă la cantități unice sau semnificative în acest sens.
Ce este calculul cuantic?
Calcularea cuantică folosește metode algebrice pentru a construi algoritmi pentru calcule, care sunt adesea la fel sau similare cu cele utilizate în fizica cuantică. Mecanica cuantică, la rândul său, se referă la o teorie de bază a fizicii care se scufundă în explicarea calităților fizice ale naturii la dimensiunea atomilor și a particulelor subatomice.
A computer cuantic este astfel un computer ipotetic capabil să implementeze astfel de algoritmi. Ca rezultat, calculatoarele cuantice se bazează în mod fundamental pe biți cuantici, cunoscuți și sub denumirea de qubiți, care pot fi creați dintr-un singur electron.
Materialul cuantic se comportă conform regulilor mecanicii cuantice, utilizând noțiuni precum calculul probabilistic, suprapunerea și rețea de sârmă ghimpată. Aceste idei servesc drept fundație pentru algoritmii cuantici, care folosesc capacitățile computerelor cuantice pentru a aborda probleme complicate.
În acest articol, voi discuta tot ce trebuie să știți despre întanglementarea cuantică.
Ce este entanglementul cuantic?
Încurcarea cuantică apare atunci când două sisteme sunt atât de strâns legate, încât cunoașterea unuia vă oferă imediat cunoașterea celuilalt, indiferent cât de departe sunt ele.
Oamenii de știință precum Einstein au fost uluiți de acest fenomen, pe care el l-a numit „o acțiune înfricoșătoare la distanță”, deoarece a încălcat regula potrivit căreia nicio informație nu poate fi trimisă mai repede decât viteza luminii. Experimente suplimentare folosind fotoni și electroni, totuși, au verificat încurcarea.
Entanglementul este piatra de temelie a calculului cuantic. Încurcărea cuantică în fizică se referă la o legătură foarte puternică între particulele cuantice. Această conexiune este atât de puternică încât două sau mai multe particule cuantice pot fi conectate inexorabil în timp ce sunt separate de distanțe enorme.
Pentru a înțelege mai bine acest lucru, luați în considerare o comparație simplă care nu este legată de fizică sau de calcul. Luați în considerare ce s-ar întâmpla dacă nu s-ar arunca una, ci două monede. De obicei, dacă o monedă ajunge pe cap sau pe cozi are o mică influență asupra rezultatului celei de-a doua aruncări.
Totuși, în cazul încurcăturii, ambele părți sunt conectate sau încurcate, indiferent dacă sunt separate fizic. În acest caz, dacă o monedă aterizează pe capete, a doua monedă va afișa, de asemenea, capete și invers.
Înțelegerea entanglementului cuantic (cu exemplu)
Încurcarea cuantică este într-adevăr o situație în care două sisteme (de obicei, electroni sau fotoni) sunt atât de strâns legate, încât obținerea de informații despre „starea” unui sistem (direcția spinului electronului, să spunem „Sus”) ar aduce cunoștințe instantanee despre celălalt sistem. „stare” (direcția spinului celui de-al doilea electron, spuneți „Jos”), indiferent de cât de departe există aceste sisteme.
Expresiile „instantaneu” și „indiferent de cât de departe sunt” sunt semnificative. Acest fenomen i-a uimit pe oamenii de știință precum Einstein, deoarece starea nu este definită până nu este măsurată, iar transmisia de informații sfidează regula fizicii clasice conform căreia informația nu poate fi transportată mai repede decât viteza luminii.
Cu toate acestea, s-a dovedit că încurcarea folosește atât fotoni, cât și electroni încă din anii 1980, datorită cercetărilor și testelor care au început în anii 1980.
Două particule subatomice (electroni) pot fi produse astfel încât să poată fi descrise printr-o singură funcție de undă. Încurcarea poate fi realizată într-o singură metodă, permițând unei particule părinte cu spinuri zero să se descompună în două particule fiice încurcate cu spinuri egale, dar opuse.
Dacă două particule fiice nu interacționează cu nimic, funcțiile lor de undă vor rămâne egale și opuse, indiferent cât de departe sunt măsurate. Oamenii de știință au determinat prin testare că timpul încurcării nu a avut niciun impact asupra informațiilor.
În schimb, informațiile sunt trimise celeilalte particule cu o viteză mai mare decât viteza luminii numai atunci când informațiile unei particule sunt măsurate.
Ca urmare, informațiile circulă în acest ritm. Dar nu avem control asupra ei - această lipsă de control restricționează utilizările Quantum Entanglement, cum ar fi trimiterea unui mesaj sau a altor informații mai rapid decât viteza luminii.
Ce rol joacă întanglementul în calculul cuantic?
Schimbarea stării unui qubit încurcat schimbă instantaneu starea qubitului pereche în calculatoarele cuantice. Ca rezultat, întanglementul accelerează viteza de procesare a computerelor cuantice.
Deoarece procesarea unui qubit dezvăluie informații despre numeroși qubiți, dublarea numărului de qubiți nu crește neapărat numărul de procese (adică, qubiții încurcați).
Încheierea cuantică, conform studiilor, este necesară pentru ca un algoritm cuantic să ofere o accelerare exponențială față de calculele clasice.
Aplicații de entanglement în calculul cuantic
Mai multe aplicații pot beneficia de această caracteristică fizică unică, care ne va altera prezentul și viitorul. Criptarea cuantică, codarea superdensă, poate transmisia mai rapidă decât lumina și chiar teleportarea ar putea fi toate activate prin încurcare.
Calculatoarele cuantice au potențialul de a face față provocărilor consumatoare de timp și putere de procesare într-o varietate de industrii, inclusiv financiar și bancar.
Entanglementul cuantic este un fenomen care ar putea ajuta astfel de computere prin reducerea timpului și a puterii de procesare necesare pentru a gestiona fluxul de date între qubiții lor.
1. Criptografia cuantică
În criptografia clasică, expeditorul codifică mesajul cu o singură cheie, în timp ce destinatarul îl decodifică cu cheia partajată. Cu toate acestea, există pericolul ca o terță parte să obțină cunoștințe despre chei și să poată intercepta și submina criptografia.
Crearea unui canal sigur între cele două părți este piatra de temelie a criptografiei de neîntrerupt. Încurcarea poate provoca acest lucru. Pe măsură ce cele două sisteme sunt încurcate, ele sunt corelate unul cu celălalt (când unul se schimbă, la fel se schimbă și celălalt), și niciun terț nu va împărtăși această corelație.
Criptografia cuantică beneficiază și de fără clonare, ceea ce înseamnă că este imposibil să se genereze o replică identică a unei stări cuantice necunoscute. Ca urmare, este imposibil să se reproducă datele codificate într-o stare cuantică.
Cu o distribuție impenetrabilă a cheilor cuantice, criptografia cuantică a fost deja realizată (QKD). QKD folosește fotoni polarizați aleatoriu pentru a comunica informații despre cheie. Destinatarul descifrează cheia folosind filtre polarizante și tehnica folosită pentru a cripta mesajul.
Datele secrete sunt încă transferate prin linii de comunicare standard, dar numai cheia cuantică exactă poate decoda mesajul. Deoarece „citirea” fotonilor polarizați le schimbă stările, orice interceptare alertează comunicatorii cu privire la intruziune.
Tehnologia QKD este în prezent constrânsă de cablul de fibră optică, care poate livra un foton pentru aproximativ 100 km înainte de a deveni prea slab pentru a fi primit. În 2004, primul transfer bancar QKD încurcat a avut loc în Austria.
Asigurarea că transmiterea de comunicații indestructibile și inviolabile, care sunt sigure pe baza principiilor fizice, are aplicații evidente în sectorul financiar, bancar, militar, medical și în alte sectoare. Mai multe companii folosesc acum QKD încurcat.
2. Teleportarea cuantică
Teleportarea cuantică este, de asemenea, metoda de transmitere a informațiilor cuantice între două părți, cum ar fi fotoni, atomi, electroni și circuite supraconductoare. Potrivit cercetărilor, teleportarea permite QC-urilor să funcționeze în paralel, folosind mai puțină energie electrică, reducând consumul de energie de 100 până la 1000 de ori.
Distincția dintre teleportarea cuantică și criptografia cuantică este următoarea:
- Schimburi de teleportare cuantică Pe un canal clasic, sunt trimise informații „cuantice”.
- Schimburi de criptografie cuantică Pe un canal cuantic, sunt trimise informații „clasice”.
Nevoile de putere ale calculatoarelor cuantice generează căldură, ceea ce este o provocare având în vedere că trebuie să funcționeze la temperaturi atât de scăzute. Teleportarea are potențialul de a conduce la soluții de proiectare care vor accelera dezvoltarea calculului cuantic.
3. Sistem biologic
Corpul uman, ca toate creaturile, se schimbă continuu datorită interacțiunii a milioane de procese chimice și biologice. Până de curând, se presupunea că sunt liniare, „A” ducând la „B”. Cu toate acestea, biologia cuantică și biofizica au descoperit o cantitate imensă de coerență în interiorul sistemelor biologice, QE jucând un rol.
Modul în care diversele subunități ale structuri proteice sunt împachetate împreună este dezvoltat pentru a permite o încrucișare și coerență cuantică susținută. Biologia cuantică este încă un subiect teoretic cu diverse preocupări fără răspuns; atunci când vor fi abordate, aplicațiile în medicină vor deveni din ce în ce mai vizibile.
Calculul cuantic, în teorie, poate să semene mai bine cu natura (prin simularea legăturilor atomice) și sistemele biologice cuantice decât computerele clasice.
4. Codare superdensă
Codarea superdensă este metoda de transmitere a doi biți convenționali de informații folosind un singur qubit încurcat. Codul care este super-dens poate:
- Permite utilizatorului să trimită jumătate din ceea ce este necesar pentru a reconstrui un mesaj clasic în avans, permițându-i utilizatorului să comunice cu o viteză dublă până când se epuizează qubiții pre-livrați.
- Capacitatea unui canal cuantic cu două sensuri într-o direcție este dublată.
- Convertiți lățimea de bandă cu latență mare în lățime de bandă cu latență scăzută prin transmiterea jumătate din date prin canalul cu latență mare pentru a sprijini datele care vin prin canalul cu latență scăzută.
Fiecare generație de comunicare a cerut mai mult transfer de date. Un câștig comparabil în informații va fi posibil cu codarea superdensă.
Concluzie
Închegarea cuantică ne poate permite să lucrăm cu date în moduri de neimaginat anterior. Prin integrarea calculului cuantic cu întanglement, vom putea răspunde la problemele care necesită o cantitate masivă de date într-un mod mai eficient și mai sigur.
Odată cu adăugarea de aplicații biologice și astronomice, QE ar putea fi folosit pentru a răspunde problemelor la care oamenii s-au gândit mult timp: de unde venim și cum a început totul?
Cu cât tehnologia avansează mai mult, cu atât vom găsi mai multe aplicații pentru aceasta — are o promisiune extraordinară!
Lasă un comentariu