Kazalo[Skrij][Pokaži]
Kvantno računalništvo obdeluje podatke z uporabo načel kvantne mehanike. Posledično kvantno računalništvo zahteva drugačen pristop kot klasično računalništvo. Procesor, ki se uporablja v kvantnih računalnikih, je en primer te razlike.
Medtem ko tradicionalni računalniki uporabljajo procesorje na osnovi silicija, kvantni računalniki uporabljajo kvantne sisteme, kot so atomi, ioni, fotoni ali elektroni. Uporabljajo kvantne značilnosti za predstavljanje bitov, ki se lahko ustvarijo v različnih kvantnih superpozicijah 1 in 0.
Torej, kaj točno pomeni izraz "kvant" v tem kontekstu? Je to pomemben preskok?
Izraz kvant izhaja iz latinske besede quantum, kar pomeni "kvantiteta". To je v fiziki "diskretna količina energije, sorazmerna po velikosti s frekvenco sevanja, ki ga predstavlja". Diskretno se nanaša na nekaj, kar ni niti kontinuirano niti ločeno. Kvant se v tem smislu nanaša na edinstvene ali pomembne količine.
Kaj je kvantno računalništvo?
Kvantno računanje uporablja algebraične metode za konstruiranje algoritmov za izračune, ki so pogosto enaki ali podobni tistim, ki se uporabljajo v kvantni fiziki. Kvantna mehanika pa se nanaša na osnovno fizikalno teorijo, ki se potopi v razlago fizičnih lastnosti narave pri velikosti atomov in subatomskih delcev.
A kvantni računalnik je torej hipotetični računalnik, ki je sposoben izvajati takšne algoritme. Posledično kvantni računalniki temeljijo na kvantnih bitih, znanih tudi kot kubiti, ki so lahko ustvarjeni iz enega samega elektrona.
Kvantni material se obnaša v skladu s pravili kvantne mehanike, pri čemer uporablja pojme, kot so verjetnostno računanje, superpozicija in zapletanje. Te ideje služijo kot osnova za kvantne algoritme, ki uporabljajo zmogljivosti kvantnih računalnikov za reševanje zapletenih problemov.
V tem članku bom razpravljal o vsem, kar morate vedeti o kvantni prepletenosti.
Kaj je kvantna zapletenost?
Kvantna zapletenost se pojavi, ko sta dva sistema tako tesno povezana, da poznavanje enega daje takojšnje znanje o drugem, ne glede na to, kako oddaljena sta.
Znanstveniki, kot je Einstein, so bili zbegani nad tem pojavom, ki ga je poimenoval "sablasno dejanje na daljavo", saj je kršil pravilo, da nobene informacije ni mogoče poslati hitreje od svetlobne hitrosti. Dodatni poskusi z uporabo fotonov in elektronov pa so potrdili prepletenost.
Prepletenost je temelj kvantnega računalništva. Kvantna zapletenost v fiziki se nanaša na zelo močno povezavo med kvantnimi delci. Ta povezava je tako močna, da se lahko dva ali več kvantnih delcev neizprosno povežeta, medtem ko jih ločujejo ogromne razdalje.
Če želite to še bolj razumeti, si oglejte preprosto primerjavo, ki ni povezana s fiziko ali računalništvom. Razmislite, kaj bi se zgodilo, če bi vrgli ne enega, ampak dva kovanca. Običajno to, ali en kovanec pristane na glavi ali repu, malo vpliva na izid drugega metanja kovanca.
V primeru prepletanja pa sta oba dela povezana ali prepletena, ne glede na to, ali sta fizično ločena. V tem primeru, če en kovanec pristane na glavi, bo drugi kovanec prav tako prikazal glave in obratno.
Razumevanje kvantne zapletenosti (s primerom)
Kvantna zapletenost je dejansko situacija, v kateri sta dva sistema (običajno elektroni ali fotoni) tako tesno povezana, da bi pridobivanje informacij o »stanju« enega sistema (smer vrtenja elektrona, recimo »navzgor«) prineslo takojšnje znanje o drugem sistemu. "stanje" (smer vrtenja drugega elektrona, recimo "dol") ne glede na to, kako daleč so ti sistemi narazen.
Besedila "takoj" in "ne glede na to, kako daleč sta drug od drugega" sta pomembna. Ta pojav je zmedel znanstvenike, kot je Einstein, saj stanje ni definirano, dokler ga ne izmerimo, in prenos informacij nasprotuje pravilu klasične fizike, da se informacije ne morejo prenašati hitreje od svetlobne hitrosti.
Vendar pa je bilo dokazano, da zapletanje uporablja tako fotone kot elektrone že od osemdesetih let prejšnjega stoletja, zahvaljujoč raziskavam in testiranju, ki so se začele v osemdesetih letih.
Lahko proizvedemo dva subatomska delca (elektrona), tako da ju lahko opišemo z eno valovno funkcijo. Prepletanje je mogoče doseči z eno metodo tako, da se matičnemu delcu z nič vrtljaji dovoli, da razpade na dva zapletena hčerinska delca z enakimi, a nasprotnimi vrtljaji.
Če dva hčerinska delca ne sodelujeta z ničemer, bodo njune valovne funkcije ostale enake in nasprotne, ne glede na to, kako daleč sta med seboj izmerjena. Znanstveniki so s testiranjem ugotovili, da čas zapletanja ni vplival na informacije.
Namesto tega se informacije pošljejo drugemu delcu s hitrostjo, ki je večja od svetlobne hitrosti, samo ko se izmeri informacija enega delca.
Posledično informacije tečejo s tem tempom. Toda nad tem nimamo nadzora – to pomanjkanje nadzora omejuje uporabo kvantne prepletenosti, kot je pošiljanje sporočila ali drugih informacij, hitrejše od svetlobne hitrosti.
Kakšno vlogo ima zapletanje pri kvantnem računanju?
Sprememba stanja zapletenega kubita takoj spremeni stanje seznanjenega kubita v kvantnih računalnikih. Posledično zapletanje pospešuje hitrost obdelave kvantnih računalnikov.
Ker obdelava enega kubita razkrije informacije o številnih kubitih, podvojitev števila kubitov ne poveča nujno števila procesov (tj. zapletenih kubitov).
Glede na študije je kvantna zapletenost potrebna, da kvantni algoritem zagotovi eksponentno pospešitev v primerjavi s klasičnimi izračuni.
Aplikacije zapletanja v kvantnem računalništva
Številne aplikacije lahko izkoristijo to edinstveno fizično lastnost, ki bo spremenila našo sedanjost in prihodnost. Kvantno šifriranje, supergosto kodiranje, morda hitrejši od svetlobe prenos in celo teleportacija bi lahko omogočili zapletanje.
Kvantni računalniki imajo potencial za spopadanje z izzivi, ki zahtevajo veliko energije in obdelavo, v različnih panogah, vključno s financami in bančništvom.
Kvantna prepletenost je pojav, ki bi lahko pomagal takšnim računalnikom z zmanjšanjem količine časa in procesne moči, potrebne za obvladovanje pretoka podatkov med njihovimi kubiti.
1. Kvantna kriptografija
V klasični kriptografiji pošiljatelj kodira sporočilo z enim ključem, prejemnik pa ga dekodira s skupnim ključem. Vendar obstaja nevarnost, da bo tretja oseba pridobila znanje o ključih in bi lahko prestregla in spodkopala kriptografijo.
Ustvarjanje varnega kanala med obema stranema je temelj za nezlomljivo kriptografijo. To lahko povzroči zapletanje. Ker sta dva sistema prepletena, sta med seboj povezana (ko se eden spremeni, se spremeni tudi drugi), in nobena tretja oseba ne bo delila te korelacije.
Kvantna kriptografija ima koristi tudi od nekloniranja, kar pomeni, da je nemogoče ustvariti identično repliko neznanega kvantnega stanja. Posledično je nemogoče replicirati podatke, kodirane v kvantnem stanju.
Z neprebojno distribucijo kvantne ključe je kvantna kriptografija že realizirana (QKD). QKD uporablja naključno polarizirane fotone za posredovanje informacij o ključu. Prejemnik dešifrira ključ s polarizacijskimi filtri in tehniko, ki se uporablja za šifriranje sporočila.
Skrivni podatki se še vedno prenašajo po standardnih komunikacijskih linijah, vendar le natančen kvantni ključ lahko dekodira sporočilo. Ker "branje" polariziranih fotonov spremeni njihova stanja, vsako prisluškovanje opozori komunikatorje na vdor.
Tehnologija QKD je trenutno omejena z optičnim kablom, ki lahko odda foton na približno 100 km, preden postane prešibek za sprejem. Leta 2004 se je v Avstriji zgodilo prvo zapleteno bančno nakazilo QKD.
Zagotavljanje, da se prenos neprekinjenih in varnih komunikacij, ki so dokazljivo varni na podlagi fizičnih načel, očitno uporablja v financah, bančništvu, vojaškem, medicinskem in drugih sektorjih. Več podjetij zdaj uporablja zapleten QKD.
2. Kvantna teleportacija
Kvantna teleportacija je tudi metoda prenosa kvantnih informacij med dvema stranema, kot so fotoni, atomi, elektroni in superprevodna vezja. Glede na raziskave teleportacija omogoča, da QC delujejo vzporedno, medtem ko uporabljajo manj električne energije, kar zmanjša porabo energije za 100 do 1000-krat.
Razlika med kvantno teleportacijo in kvantno kriptografijo je naslednja:
- Izmenjave kvantne teleportacije Preko klasičnega kanala se pošiljajo »kvantne« informacije.
- Izmenjave kvantne kriptografije Preko kvantnega kanala se pošiljajo »klasične« informacije.
Potrebe po energiji kvantnih računalnikov proizvajajo toploto, kar je izziv, saj morajo delovati pri tako nizkih temperaturah. Teleportacija lahko vodi do oblikovalskih rešitev, ki bodo pospešile razvoj kvantnega računalništva.
3. Biološki sistem
Človeško telo se, tako kot vsa bitja, nenehno spreminja zaradi interakcije milijonov kemičnih in bioloških procesov. Do nedavnega se je domnevalo, da so linearni, pri čemer "A" vodi do "B". Vendar pa sta kvantna biologija in biofizika odkrili ogromno skladnosti znotraj bioloških sistemov, pri čemer ima QE vlogo.
Način raznolikih podenot beljakovinske strukture so pakirani skupaj, je razvit tako, da omogoča trajno kvantno prepletenost in koherenco. Kvantna biologija je še vedno teoretična tema z različnimi neodgovorjenimi pomisleki; ko bodo obravnavane, bodo aplikacije v medicini vse bolj vidne.
Kvantno računalništvo je v teoriji morda bolj podobno naravi (s simulacijo atomske vezi) in kvantnim biološkim sistemom kot klasični računalniki.
4. Superdense kodiranje
Supergosto kodiranje je metoda prenosa dveh običajnih bitov informacij z uporabo enega zapletenega kubita. Koda, ki je zelo gosta, lahko:
- Omogoča uporabniku, da pošlje polovico tistega, kar je potrebno za rekonstrukcijo klasičnega sporočila pred časom, kar mu omogoča, da komunicira z dvojno hitrostjo, dokler ne zmanjka vnaprej dostavljenih kubitov.
- Zmogljivost dvosmernega kvantnega kanala v eni smeri se podvoji.
- Pretvorite pasovno širino z visoko zakasnitvijo v pasovno širino z nizko zamudo tako, da polovico podatkov prenesete po kanalu z visoko zakasnitvijo, da podprete podatke, ki prihajajo prek kanala z majhno zamudo.
Vsaka generacija komunikacije zahteva več prenosa podatkov. Primerljiv dobiček v informacijah bo mogoč s super gostim kodiranjem.
zaključek
Kvantna zapletenost nam lahko omogoči delo s podatki na prej nepredstavljive načine. Z integracijo kvantnega računalništva z zapletanjem bomo lahko na učinkovitejši in varnejši način odgovorili na vprašanja, ki zahtevajo ogromno podatkov.
Z dodajanjem bioloških in astronomskih aplikacij bi lahko QE uporabili za odgovor na vprašanja, o katerih so ljudje dolgo razmišljali: od kod smo prišli in kako se je vse začelo?
Bolj ko bo tehnologija napredovala, več aplikacij bomo zanjo našli – ogromno obeta!
Pustite Odgovori