Содержание[Скрывать][Показывать]
Квантовые вычисления обрабатывают данные, используя принципы квантовой механики. В результате квантовые вычисления требуют другого подхода, чем классические вычисления. Процессор, используемый в квантовых компьютерах, является одним из примеров этого различия.
В то время как традиционные компьютеры используют процессоры на основе кремния, квантовые компьютеры используют квантовые системы, такие как атомы, ионы, фотоны или электроны. Они используют квантовые функции для представления битов, которые могут быть созданы в различных квантовых суперпозициях 1 и 0.
Итак, что именно означает термин «квант» в данном контексте? Это значительный скачок?
Термин «квант» происходит от латинского слова «quantum», что означает «количество». Это «дискретное количество энергии, пропорциональное по величине частоте излучения, которое оно представляет» в физике. Дискретное относится к чему-то, что не является ни непрерывным, ни отдельным. Квант в этом смысле относится к уникальным или значительным количествам.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления использует алгебраические методы для построения алгоритмов вычислений, которые часто являются такими же или похожими на те, которые используются в квантовой физике. Квантовая механика, в свою очередь, относится к базовой теории физики, которая погружается в объяснение физических свойств природы при размерах атомов и субатомных частиц.
A квантовый компьютер Таким образом, это гипотетический компьютер, способный реализовать такие алгоритмы. В результате квантовые компьютеры в основном основаны на квантовых битах, также известных как кубиты, которые могут быть созданы из одного электрона.
Квантовый материал ведет себя в соответствии с правилами квантовой механики, используя такие понятия, как вероятностные вычисления, суперпозиция и запутанность. Эти идеи служат основой для квантовых алгоритмов, использующих возможности квантовых компьютеров для решения сложных задач.
В этой статье я расскажу все, что вам нужно знать о квантовой запутанности.
Что такое квантовая запутанность?
Квантовая запутанность возникает, когда две системы настолько тесно связаны, что знание одной дает вам немедленное знание другой, независимо от того, насколько далеко они друг от друга.
Такие ученые, как Эйнштейн, были сбиты с толку этим явлением, которое он назвал «жутким действием на расстоянии», поскольку оно нарушало правило, что никакая информация не может быть отправлена быстрее скорости света. Однако дополнительные эксперименты с использованием фотонов и электронов подтвердили запутанность.
Запутанность — краеугольный камень квантовых вычислений. Квантовая запутанность в физике относится к очень сильной связи между квантовыми частицами. Эта связь настолько сильна, что две или более квантовых частицы могут быть неразрывно связаны, будучи разделены огромными расстояниями.
Чтобы лучше понять это, рассмотрим простое сравнение, не связанное с физикой или вычислениями. Подумайте, что произойдет, если подбросить не одну, а две монеты. Обычно то, выпадет ли одна монета орлом или решкой, мало влияет на результат второго подбрасывания монеты.
Однако в случае запутывания обе части соединяются или запутываются независимо от того, разделены ли они физически. В этом случае, если одна монета упадет орлом, вторая монета также выпадет орлом, и наоборот.
Понимание квантовой запутанности (с примером)
Квантовая запутанность — это действительно ситуация, в которой две системы (обычно электроны или фотоны) настолько тесно связаны, что получение информации о «состоянии» одной системы (направление вращения электрона, скажем, «вверх») даст мгновенное знание о состоянии другой системы. «состояние» (направление вращения второго электрона, скажем, «вниз») независимо от того, насколько далеко друг от друга существуют эти системы.
Фразы «мгновенно» и «независимо от того, как далеко они друг от друга» имеют большое значение. Это явление поставило в тупик таких ученых, как Эйнштейн, поскольку состояние не определено до тех пор, пока оно не измерено, а передача информации противоречит классическому правилу физики, согласно которому информация не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света.
Однако было доказано, что запутывание использует как фотоны, так и электроны с 1980-х годов благодаря исследованиям и испытаниям, которые начались в 1980-х годах.
Две субатомные частицы (электроны) могут быть созданы так, чтобы их можно было описать одной волновой функцией. Запутанность может быть достигнута одним методом, позволяя родительской частице с нулевым спином распасться на две запутанные дочерние частицы с равными, но противоположными спинами.
Если две дочерние частицы ни с чем не взаимодействуют, их волновые функции останутся равными и противоположными, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Ученые определили путем тестирования, что время запутывания не повлияло на информацию.
Вместо этого информация передается другой частице со скоростью, превышающей скорость света, только когда измеряется информация одной частицы.
В результате информация течет в таком темпе. Но у нас нет контроля над этим — этот недостаток контроля ограничивает использование квантовой запутанности, например, отправку сообщения или другой информации со скоростью, превышающей скорость света.
Какую роль играет запутанность в квантовых вычислениях?
Изменение состояния запутанного кубита мгновенно изменяет состояние парного кубита в квантовых компьютерах. В результате запутанность ускоряет скорость обработки квантовых компьютеров.
Поскольку обработка одного кубита раскрывает информацию о множестве кубитов, удвоение количества кубитов не обязательно увеличивает количество процессов (т. е. запутанных кубитов).
Согласно исследованиям, квантовая запутанность необходима для того, чтобы квантовый алгоритм обеспечивал экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими вычислениями.
Приложения запутанности в квантовых вычислениях
Несколько приложений могут извлечь выгоду из этой единственной в своем роде физической характеристики, которая изменит наше настоящее и будущее. Квантовое шифрование, сверхплотное кодирование, возможно, передача данных со скоростью, превышающей скорость света, и даже телепортация — все это может стать возможным благодаря запутанности.
Квантовые компьютеры могут решать задачи, требующие больших затрат времени и энергии, в различных отраслях, включая финансы и банковское дело.
Квантовая запутанность — это явление, которое может помочь таким компьютерам, сократив время и вычислительную мощность, необходимые для обработки потока данных между их кубитами.
1. Квантовая криптография
В классической криптографии отправитель кодирует сообщение одним ключом, а получатель расшифровывает его общим ключом. Однако существует опасность того, что третья сторона получит знания о ключах и сможет перехватить и подорвать криптографию.
Создание безопасного канала между двумя сторонами является краеугольным камнем нерушимой криптографии. Запутывание может вызвать это. Поскольку две системы запутаны, они коррелируют друг с другом (когда меняется одна, меняется и другая), и никакая третья сторона не будет разделять эту корреляцию.
Квантовая криптография также выигрывает от отсутствия клонирования, что означает невозможность создания идентичной копии неизвестного квантового состояния. В результате невозможно воспроизвести данные, закодированные в квантовом состоянии.
С непроницаемым квантовым распределением ключей уже реализована квантовая криптография (QKD). QKD использует случайно поляризованные фотоны для передачи информации о ключе. Получатель расшифровывает ключ, используя поляризационные фильтры и метод, используемый для шифрования сообщения.
Секретные данные по-прежнему передаются по стандартным линиям связи, но расшифровать сообщение может только точный квантовый ключ. Поскольку «считывание» поляризованных фотонов изменяет их состояние, любое подслушивание предупреждает коммуникаторов о вторжении.
Технология QKD в настоящее время ограничена оптоволоконным кабелем, который может доставлять фотон примерно на 100 км, прежде чем он станет слишком слабым для приема. В 2004 году в Австрии был совершен первый запутанный банковский перевод QKD.
Убедиться, что передача неразрывных и защищенных от несанкционированного доступа сообщений, которые доказуемо безопасны на основе физических принципов, имеет очевидное применение в финансовом, банковском, военном, медицинском и других секторах. Несколько предприятий в настоящее время используют запутанную QKD.
2. Квантовая телепортация
Квантовая телепортация также является методом передачи квантовой информации между двумя сторонами, такими как фотоны, атомы, электроны и сверхпроводящие цепи. Согласно исследованиям, телепортация позволяет QC работать параллельно, используя меньше электроэнергии, снижая энергопотребление в 100–1000 раз.
Различие между квантовой телепортацией и квантовой криптографией заключается в следующем:
- Обмены квантовой телепортацией По классическому каналу пересылается «квантовая» информация.
- Обмен квантовой криптографией По квантовому каналу отправляется «классическая» информация.
Энергетические потребности квантовых компьютеров генерируют тепло, что является проблемой, учитывая, что они должны работать при таких низких температурах. Телепортация может привести к проектным решениям, которые ускорят развитие квантовых вычислений.
3. Биологическая система
Человеческий организм, как и все живые существа, постоянно изменяется благодаря взаимодействию миллионов химических и биологических процессов. До недавнего времени предполагалось, что они линейны, где «А» ведет к «Б». Однако квантовая биология и биофизика открыли огромное количество когерентных связей внутри биологических систем, и КС сыграла свою роль.
То, как различные субъединицы белковые структуры упакованы вместе, чтобы обеспечить устойчивую квантовую запутанность и когерентность. Квантовая биология по-прежнему остается теоретической темой с различными проблемами без ответа; когда к ним будут обращаться, приложения в медицине станут более заметными.
Теоретически квантовые вычисления могут больше походить на природу (симулируя атомные связи) и квантовые биологические системы, чем на классические компьютеры.
4. Сверхплотное кодирование
Сверхплотное кодирование — это метод передачи двух обычных битов информации с использованием одного запутанного кубита. Сверхплотный код может:
- Позволяет пользователю заранее отправить половину того, что необходимо для восстановления классического сообщения, позволяя пользователю общаться с удвоенной скоростью, пока не закончатся предварительно доставленные кубиты.
- Пропускная способность двустороннего квантового канала в одном направлении удваивается.
- Преобразуйте полосу пропускания с высокой задержкой в полосу пропускания с малой задержкой, передав половину данных по каналу с высокой задержкой для поддержки данных, поступающих по каналу с малой задержкой.
Каждое поколение средств связи требовало большего объема передачи данных. Сопоставимый выигрыш в информации будет возможен при сверхплотном кодировании.
Заключение
Квантовая запутанность может позволить нам работать с данными ранее невообразимыми способами. Интегрируя квантовые вычисления с запутанностью, мы сможем решать проблемы, требующие большого объема данных, более эффективным и безопасным способом.
С добавлением биологических и астрономических приложений КС можно использовать для ответа на вопросы, над которыми люди давно размышляли: откуда мы пришли и как все началось?
Чем больше развивается технология, тем больше применений мы находим для нее — она сулит огромные перспективы!
Оставьте комментарий