Obsah[Skryť][Šou]
Kvantové výpočty spracovávajú dáta pomocou princípov kvantovej mechaniky. Výsledkom je, že kvantové výpočty vyžadujú iný prístup ako klasické výpočty. Procesor používaný v kvantových počítačoch je jedným z príkladov tohto rozdielu.
Zatiaľ čo tradičné počítače využívajú procesory na báze kremíka, kvantové počítače využívajú kvantové systémy ako atómy, ióny, fotóny alebo elektróny. Využívajú kvantové funkcie na reprezentáciu bitov, ktoré môžu byť vytvorené v rôznych kvantových superpozíciách 1 a 0.
Takže, čo presne znamená pojem „kvantový“ v tomto kontexte? Je to výrazný skok?
Termín kvantum pochádza z latinského slova quantum, čo znamená „množstvo“. Vo fyzike je to „diskrétne množstvo energie úmerné veľkosti frekvencie žiarenia, ktoré predstavuje“. Diskrétne označuje niečo, čo nie je ani súvislé, ani oddelené. Kvantové označuje jedinečné alebo významné množstvá v tomto zmysle.
Čo je kvantové počítanie?
Kvantové výpočty používa algebraické metódy na zostavenie algoritmov pre výpočty, ktoré sú často rovnaké alebo podobné tým, ktoré sa používajú v kvantovej fyzike. Kvantová mechanika zase odkazuje na základnú fyzikálnu teóriu, ktorá sa ponorí do vysvetlenia fyzikálnych kvalít prírody vo veľkosti atómov a subatomárnych častíc.
A kvantový počítač je teda hypotetický počítač schopný implementovať takéto algoritmy. Výsledkom je, že kvantové počítače sú v podstate založené na kvantových bitoch, známych aj ako qubity, ktoré môžu byť vytvorené z jedného elektrónu.
Kvantový materiál sa správa podľa pravidiel kvantovej mechaniky, pričom využíva pojmy ako pravdepodobnostný výpočet, superpozícia a zapletenie. Tieto myšlienky slúžia ako základ pre kvantové algoritmy, ktoré využívajú schopnosti kvantových počítačov na riešenie zložitých problémov.
V tomto článku rozoberiem všetko, čo potrebujete vedieť o kvantovom prepletení.
Čo je kvantové zapletenie?
Kvantové zapletenie nastáva, keď sú dva systémy tak úzko prepojené, že poznanie jedného vám dáva okamžitú znalosť toho druhého, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba.
Vedci ako Einstein boli zmätení týmto javom, ktorý nazval „strašidelná akcia na diaľku“, pretože porušil pravidlo, že žiadna informácia nemôže byť odoslaná rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Ďalšie experimenty s použitím fotónov a elektrónov však overili zapletenie.
Zapletenie je základným kameňom kvantových počítačov. Kvantové zapletenie vo fyzike označuje veľmi silné spojenie medzi kvantovými časticami. Toto spojenie je také silné, že dve alebo viac kvantových častíc môžu byť neúprosne spojené, pričom sú oddelené obrovskými vzdialenosťami.
Aby ste to lepšie pochopili, zvážte jednoduché porovnanie, ktoré nesúvisí s fyzikou alebo výpočtovou technikou. Zvážte, čo by sa stalo, keby sa nehádzala jedna, ale dve mince. Zvyčajne to, či jedna minca dopadne na hlavu alebo na chvost, má malý vplyv na výsledok druhého hodu mincou.
V prípade zapletenia sú však obe časti spojené alebo zapletené bez ohľadu na to, či sú fyzicky oddelené. V tomto prípade, ak jedna minca dopadne na hlavy, druhá minca bude tiež zobrazovať hlavy a naopak.
Pochopenie kvantového zapletenia (s príkladom)
Kvantové zapletenie je skutočne situáciou, v ktorej sú dva systémy (zvyčajne elektróny alebo fotóny) tak úzko prepojené, že získanie informácií o „stave“ jedného systému (smer rotácie elektrónu, povedzme „hore“) by poskytlo okamžitú znalosť o stave druhého systému. „stav“ (smer rotácie druhého elektrónu, povedzme „dole“) bez ohľadu na to, ako ďaleko od seba tieto systémy existujú.
Výrazy „okamžité“ a „bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba“ sú dôležité. Tento jav zmiatol vedcov ako Einstein, pretože stav nie je definovaný, kým nie je zmeraný, a prenos informácií popiera klasické fyzikálne pravidlo, že informácie nemožno prenášať rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Preukázalo sa však, že zapletenie využíva fotóny aj elektróny od 1980. rokov minulého storočia vďaka výskumu a testovaniu, ktoré sa začalo v 1980. rokoch.
Dve subatomárne častice (elektróny) možno vyrobiť tak, že ich možno opísať jednou vlnovou funkciou. Zapletenie možno dosiahnuť jedným spôsobom tak, že sa rodičovskej častici s nulovými spinmi umožní rozpad na dve zapletené dcérske častice s rovnakými, ale opačnými spinmi.
Ak dve dcérske častice s ničím neinteragujú, ich vlnové funkcie zostanú rovnaké a protichodné bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba merané. Vedci pomocou testovania zistili, že čas zapletenia nemal žiadny vplyv na informácie.
Namiesto toho sa informácie posielajú druhej častici rýchlosťou vyššou ako rýchlosť svetla iba vtedy, keď sa meria informácia o jednej častici.
Výsledkom je, že informácie prúdia týmto tempom. Ale nemáme nad tým žiadnu kontrolu – tento nedostatok kontroly obmedzuje použitie kvantového zapletenia, ako je posielanie správy alebo iných informácií rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Akú úlohu hrá zapletenie v kvantových výpočtoch?
Zmena stavu zapleteného qubitu okamžite zmení stav spárovaného qubitu v kvantových počítačoch. Výsledkom je, že zapletenie zrýchľuje rýchlosť spracovania kvantových počítačov.
Pretože spracovanie jedného qubitu odhalí informácie o mnohých qubitoch, zdvojnásobenie počtu qubitov nevyhnutne nezvýši počet procesov (tj zapletených qubitov).
Kvantové zapletenie je podľa štúdií potrebné na to, aby kvantový algoritmus poskytol exponenciálne zrýchlenie oproti klasickým výpočtom.
Aplikácie zapletenia v kvantových výpočtoch
Niekoľko aplikácií môže ťažiť z tejto jedinej fyzickej charakteristiky, ktorá zmení našu súčasnosť a budúcnosť. Kvantové šifrovanie, superhusté kódovanie, možno rýchlejší prenos ako svetlo a dokonca aj teleportácia, to všetko môže byť umožnené zapletením.
Kvantové počítače majú potenciál riešiť časovo a energeticky náročné výzvy v rôznych odvetviach vrátane financií a bankovníctva.
Kvantové zapletenie je fenomén, ktorý môže takýmto počítačom pomôcť znížením množstva času a výpočtového výkonu potrebného na spracovanie dátového toku medzi ich qubitmi.
1. Kvantová kryptografia
V klasickej kryptografii odosielateľ zakóduje správu jedným kľúčom, zatiaľ čo príjemca ju dekóduje zdieľaným kľúčom. Existuje však nebezpečenstvo, že tretia strana získa informácie o kľúčoch a bude schopná zachytiť a podkopať kryptografiu.
Vytvorenie bezpečného kanála medzi oboma stranami je základným kameňom nerozbitnej kryptografie. To môže spôsobiť zamotanie. Keďže sú tieto dva systémy prepojené, sú vo vzájomnom vzťahu (keď sa zmení jeden, zmení sa aj druhý) a žiadna tretia strana nebude túto koreláciu zdieľať.
Kvantová kryptografia tiež ťaží z neklonovania, čo znamená, že nie je možné vygenerovať identickú repliku neznámeho kvantového stavu. V dôsledku toho nie je možné replikovať dáta zakódované v kvantovom stave.
S nepreniknuteľnou distribúciou kvantových kľúčov už bola realizovaná kvantová kryptografia (QKD). QKD používa na komunikáciu informácií o kľúči náhodne polarizované fotóny. Príjemca dešifruje kľúč pomocou polarizačných filtrov a techniky použitej na šifrovanie správy.
Tajné údaje sa stále prenášajú cez štandardné komunikačné linky, ale správu dokáže dekódovať iba presný kvantový kľúč. Pretože „čítanie“ polarizovaných fotónov mení ich stavy, akékoľvek odpočúvanie upozorní komunikátorov na vniknutie.
Technológia QKD je v súčasnosti obmedzená káblom z optických vlákien, ktorý dokáže doručiť fotón na vzdialenosť približne 100 km, kým nebude príliš slabý na to, aby ho prijal. V roku 2004 došlo v Rakúsku k prvému zamotanému bankovému prevodu QKD.
Zabezpečenie prenosu nerozbitnej a odolnej komunikácie, ktorá je preukázateľne bezpečná na základe fyzikálnych princípov, má zjavné uplatnenie vo financiách, bankovníctve, armáde, zdravotníctve a iných sektoroch. Niekoľko podnikov teraz používa zapletené QKD.
2. Kvantová teleportácia
Kvantová teleportácia je tiež metóda prenosu kvantových informácií medzi dvoma stranami, ako sú fotóny, atómy, elektróny a supravodivé obvody. Podľa výskumu teleportácia umožňuje, aby QC bežali paralelne, pričom spotrebovali menej elektriny, čím sa spotreba energie znížila 100 až 1000-krát.
Rozdiel medzi kvantovou teleportáciou a kvantovou kryptografiou je nasledovný:
- Výmena kvantovej teleportácie Cez klasický kanál sa odosielajú „kvantové“ informácie.
- Výmeny kvantovej kryptografie Cez kvantový kanál sa odosielajú „klasické“ informácie.
Potreba energie kvantových počítačov vytvára teplo, čo je výzva vzhľadom na to, že musia pracovať pri tak nízkych teplotách. Teleportácia má potenciál viesť k návrhovým riešeniam, ktoré urýchlia vývoj kvantových výpočtov.
3. Biologický systém
Ľudské telo, ako všetky stvorenia, sa neustále mení v dôsledku interakcie miliónov chemických a biologických procesov. Až donedávna sa predpokladalo, že sú lineárne, pričom „A“ vedie k „B“. Kvantová biológia a biofyzika však odhalili obrovské množstvo koherencie vo vnútri biologických systémov, pričom úlohu zohráva QE.
Spôsob, akým rôznorodé podjednotky o proteínové štruktúry sú zbalené dohromady, je vyvinutý tak, aby umožňoval trvalé kvantové zapletenie a súdržnosť. Kvantová biológia je stále teoretickou témou s rôznymi nezodpovedanými obavami; keď sa budú riešiť, aplikácie v medicíne budú čoraz viditeľnejšie.
Kvantové výpočty sa teoreticky môžu viac podobať prírode (simulovaním atómovej väzby) a kvantovým biologickým systémom ako klasické počítače.
4. Superhusté kódovanie
Superhusté kódovanie je metóda prenosu dvoch konvenčných bitov informácií pomocou jedného zapleteného qubitu. Kód, ktorý je veľmi hustý, môže:
- Umožňuje používateľovi odoslať polovicu toho, čo je potrebné na rekonštrukciu klasickej správy v predstihu, čo používateľovi umožňuje komunikovať dvojnásobnou rýchlosťou, kým sa neminú vopred dodané qubity.
- Kapacita obojsmerného kvantového kanála v jednom smere sa zdvojnásobí.
- Preveďte šírku pásma s vysokou latenciou na šírku pásma s nízkou latenciou prenosom polovice údajov cez kanál s vysokou latenciou, aby ste podporili údaje prichádzajúce cez kanál s nízkou latenciou.
Každá generácia komunikácie si vyžiadala väčší prenos dát. Porovnateľný zisk informácií bude možný pomocou superhustého kódovania.
záver
Kvantové zapletenie nám môže umožniť pracovať s údajmi dovtedy nepredstaviteľnými spôsobmi. Integráciou kvantového počítania so zapletením budeme môcť efektívnejším a bezpečnejším spôsobom odpovedať na problémy, ktoré si vyžadujú obrovské množstvo údajov.
S pridaním biologických a astronomických aplikácií by sa QE mohlo použiť na zodpovedanie otázok, o ktorých ľudia dlho uvažovali: odkiaľ sme prišli a ako to všetko začalo?
Čím viac technológie napreduje, tým viac aplikácií pre ňu nájdeme – má to obrovský prísľub!
Nechaj odpoveď