Kvantberäkningar bearbetar data med hjälp av kvantmekaniska principer. Som ett resultat kräver kvantberäkning ett annat tillvägagångssätt än klassisk beräkning. Processorn som används i kvantdatorer är ett exempel på denna distinktion.
Medan traditionella datorer använder kiselbaserade processorer, använder kvantdatorer kvantsystem som atomer, joner, fotoner eller elektroner. De använder kvantfunktioner för att representera bitar som kan skapas i olika kvantöverlagringar av 1 och 0.
Så, vad exakt betyder termen "kvantum" i detta sammanhang? Är det ett betydande steg?
Termen quantum kommer från det latinska ordet quantum, som betyder "kvantitet". Det är en "diskret energimängd som är proportionell i storlek mot frekvensen av strålningen den representerar" inom fysiken. Diskret hänvisar till något som varken är kontinuerligt eller distinkt. Quantum refererar till unika eller betydande mängder i denna mening.
Vad är kvantberäkning?
Kvantberäkning använder algebraiska metoder för att konstruera algoritmer för beräkningar, som ofta är samma eller liknande de som används inom kvantfysik. Kvantmekaniken syftar i sin tur på en grundläggande fysikteori som dyker ner i förklaringen av naturens fysiska kvaliteter i storleken av atomer och subatomära partiklar.
A kvantdator är således en hypotetisk dator som kan implementera sådana algoritmer. Som ett resultat är kvantdatorer i grunden baserade på kvantbitar, även kända som qubits, som kan skapas från en enda elektron.
Kvantmaterialet beter sig enligt kvantmekanikens regler och använder sig av begrepp som probabilistisk beräkning, superposition och intrassling. Dessa idéer fungerar som grunden för kvantalgoritmer, som använder kvantdatorernas kapacitet för att hantera komplicerade problem.
I den här artikeln kommer jag att diskutera allt du behöver veta om kvantintrassling.
Vad är kvantintrassling?
Kvantintrassling uppstår när två system är så nära sammanlänkade att kunskap om det ena ger dig omedelbar kunskap om det andra, oavsett hur långt ifrån varandra de är.
Forskare som Einstein blev förbryllade över detta fenomen, som han kallade "en spöklik handling på avstånd" eftersom det bröt mot regeln att ingen information kan skickas snabbare än ljusets hastighet. Ytterligare experiment med fotoner och elektroner verifierade dock intrassling.
Entanglement är hörnstenen i kvantberäkning. Kvantintrassling i fysiken hänvisar till en mycket stark koppling mellan kvantpartiklar. Detta samband är så starkt att två eller flera kvantpartiklar obönhörligt kan kopplas samman samtidigt som de är åtskilda av enorma avstånd.
För att ytterligare förstå detta, överväg en enkel jämförelse som inte är relaterad till fysik eller datoranvändning. Tänk på vad som skulle hända om inte ett utan två mynt kastades. Om ett mynt landar på huvudet eller svansen har vanligtvis liten betydelse för resultatet av den andra myntkastningen.
Men vid intrassling är båda delarna sammankopplade eller intrasslade, oavsett om de är fysiskt åtskilda. I det här fallet, om ett mynt landar på huvuden, kommer det andra myntet på samma sätt att visa huvuden, och vice versa.
Förstå kvantentanglement (med exempel)
Kvantintrassling är verkligen en situation där två system (typiskt elektroner eller fotoner) är så nära sammanlänkade att inhämtning av information om ett systems "tillstånd" (riktningen för elektronens spin, säg "upp") skulle ge omedelbar kunskap om det andra systemets "tillstånd" (riktningen för den andra elektronens spinn, säg "Ner") oavsett hur långt ifrån varandra dessa system finns.
Fraserna "omedelbar" och "oavsett hur långt ifrån varandra de är" är betydelsefulla. Detta fenomen har förbryllat forskare som Einstein, eftersom tillståndet inte definieras förrän det mäts, och informationsöverföring trotsar den klassiska fysikregeln att information inte kan transporteras snabbare än ljusets hastighet.
Det har dock visat sig att intrassling använder både fotoner och elektroner sedan 1980-talet, tack vare forskning och tester som började på 1980-talet.
Två subatomära partiklar (elektroner) kan produceras så att de kan beskrivas av en enda vågfunktion. Entangling kan uppnås i en metod genom att låta en moderpartikel med noll spinn sönderfalla till två intrasslade dotterpartiklar med lika men motsatta spins.
Om två dotterpartiklar inte interagerar med någonting, kommer deras vågfunktioner att förbli lika och motsatta oavsett hur långt ifrån varandra de mäts. Forskare fastställde genom testning att tidpunkten för intrassling inte hade någon inverkan på informationen.
Istället skickas information till den andra partikeln i en hastighet som är snabbare än ljusets hastighet endast när en partikels information mäts.
Som ett resultat strömmar informationen i denna takt. Men vi har ingen kontroll över det – denna brist på kontroll begränsar användningen av Quantum Entanglement, som att skicka ett meddelande eller annan information snabbare än ljusets hastighet.
Vilken roll spelar intrassling i kvantberäkning?
Att ändra tillståndet för en intrasslad qubit ändrar omedelbart tillståndet för den parade qubiten i kvantdatorer. Som ett resultat accelererar intrassling kvantdatorernas bearbetningshastighet.
Eftersom bearbetning av en qubit avslöjar information om många qubits, ökar inte nödvändigtvis antalet processer (dvs. de intrasslade qubits) att fördubbla antalet qubits.
Kvantintrassling, enligt studier, krävs för att en kvantalgoritm ska leverera en exponentiell snabbhet jämfört med klassiska beräkningar.
Entanglement-applikationer i kvantberäkning
Flera applikationer kan dra nytta av denna unika fysiska egenskap, som kommer att förändra vår nutid och framtid. Kvantkryptering, superdense kodning, kanske snabbare-än-ljusöverföring och till och med teleportering kan alla möjliggöras av intrassling.
Kvantdatorer har potential att hantera tids- och processkraftkrävande utmaningar i en mängd olika branscher, inklusive finans och bank.
Quantum entanglement är ett fenomen som kan hjälpa sådana datorer genom att minska mängden tid och processorkraft som krävs för att hantera dataflödet mellan deras qubits.
1. Kvantkryptering
I klassisk kryptografi kodar avsändaren meddelandet med en nyckel, medan mottagaren avkodar det med den delade nyckeln. Det finns dock en risk att en tredje part skaffar sig kunskap om nycklarna och kan avlyssna och undergräva kryptografi.
Att skapa en säker kanal mellan de två parterna är hörnstenen till okrossbar kryptografi. Intrassling kan orsaka detta. Eftersom de två systemen är intrasslade, är de korrelerade med varandra (när det ena ändras, ändras det andra), och ingen tredje part kommer att dela denna korrelation.
Kvantkryptografi gynnas också av ingen kloning, vilket innebär att det är omöjligt att generera en identisk kopia av ett okänt kvanttillstånd. Som ett resultat är det omöjligt att replikera data kodad i ett kvanttillstånd.
Med en ogenomtränglig kvantnyckelfördelning har kvantkryptografi redan realiserats (QKD). QKD använder slumpmässigt polariserade fotoner för att kommunicera information om nyckeln. Mottagaren dechiffrerar nyckeln med hjälp av polariserande filter och tekniken som används för att kryptera meddelandet.
Den hemliga informationen överförs fortfarande via vanliga kommunikationslinjer, men endast den exakta kvantnyckeln kan avkoda meddelandet. Eftersom att "läsa" de polariserade fotonerna ändrar deras tillstånd, varnar all avlyssning kommunikatörerna om intrånget.
QKD-tekniken är för närvarande begränsad av fiberoptisk kabel, som kan leverera en foton i cirka 100 km innan den blir för svag för att ta emot. År 2004 skedde den första intrasslade QKD-banköverföringen i Österrike.
Att se till att överföringen av okrossbar och manipuleringssäker kommunikation som bevisligen är säker baserad på fysiska principer har uppenbara tillämpningar inom finans, bank, militär, medicinsk och andra sektorer. Flera företag använder nu intrasslad QKD.
2. Kvantteleportering
Kvantteleportation är också metoden för att överföra kvantinformation mellan två parter, såsom fotoner, atomer, elektroner och supraledande kretsar. Enligt forskning tillåter teleportering QCs att köras parallellt samtidigt som de använder mindre elektricitet, vilket sänker strömförbrukningen med 100 till 1000 gånger.
Skillnaden mellan kvantteleportation och kvantkryptografi är följande:
- Utbyte av kvantteleportation Över en klassisk kanal sänds "kvantinformation".
- Utbyte av kvantkryptografi Över en kvantkanal skickas "klassisk" information.
Kraftbehoven hos kvantdatorer genererar värme, vilket är en utmaning med tanke på att de måste arbeta vid så låga temperaturer. Teleportering har potential att leda till designlösningar som kommer att påskynda utvecklingen av kvantberäkningar.
3. Biologiskt system
Människokroppen, liksom alla varelser, förändras ständigt på grund av växelverkan mellan miljontals kemiska och biologiska processer. Tills nyligen antogs de vara linjära, med "A" som leder till "B." Emellertid har kvantbiologi och biofysik avslöjat en enorm mängd koherens i biologiska system, där QE spelar en roll.
Hur olika underenheter av proteinstrukturer är packade tillsammans är utvecklad för att möjliggöra varaktig kvantintrassling och koherens. Kvantbiologi är fortfarande ett teoretiskt ämne med olika obesvarade problem; när de tas upp kommer tillämpningar inom medicin att bli allt mer synliga.
Kvantberäkning, i teorin, kan bättre likna naturen (genom att simulera atombindning) och kvantbiologiska system än klassiska datorer.
4. Superdense Coding
Superdense-kodning är metoden för att överföra två konventionella informationsbitar med en enda entangled qubit. Kod som är supertät kan:
- Tillåter användaren att skicka hälften av vad som behövs för att rekonstruera ett klassiskt meddelande i förväg, vilket gör att användaren kan kommunicera med dubbel hastighet tills de förlevererade qubitarna tar slut.
- En tvåvägs kvantkanals kapacitet i en riktning fördubblas.
- Konvertera bandbredd med hög latens till bandbredd med låg latens genom att överföra hälften av datan över kanalen med hög latens för att stödja data som kommer in via kanalen med låg latens.
Varje generation av kommunikation har krävt mer dataöverföring. En jämförbar vinst i information kommer att vara möjlig med superdense-kodning.
Slutsats
Quantum intrassling kan göra det möjligt för oss att arbeta med data på tidigare ofattbara sätt. Genom att integrera kvantdatorer med entanglement kommer vi att kunna svara på frågor som kräver en enorm mängd data på ett mer effektivt och säkert sätt.
Med tillägget av biologiska och astronomiska tillämpningar kan QE användas för att svara på de frågor som människor länge har funderat på: var kom vi ifrån och hur började det hela?
Ju mer tekniken utvecklas, desto fler tillämpningar kommer vi att hitta för det – det lovar enormt mycket!
Kommentera uppropet