คอมพิวเตอร์ควอนตัมประมวลผลข้อมูลโดยใช้หลักกลศาสตร์ควอนตัม ด้วยเหตุนี้ การคำนวณควอนตัมจึงต้องใช้แนวทางที่แตกต่างจากการคำนวณแบบคลาสสิก โปรเซสเซอร์ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นตัวอย่างหนึ่งของความแตกต่างนี้
ในขณะที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมใช้โปรเซสเซอร์ที่ใช้ซิลิกอน คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ระบบควอนตัม เช่น อะตอม ไอออน โฟตอน หรืออิเล็กตรอน พวกเขาใช้คุณลักษณะควอนตัมเพื่อแสดงบิตที่อาจสร้างขึ้นในการซ้อนทับควอนตัมต่างๆ ที่ 1 และ 0
ดังนั้นคำว่า "ควอนตัม" หมายถึงอะไรในบริบทนี้? มันเป็นก้าวกระโดดที่สำคัญ?
ควอนตัมคำว่าควอนตัมมาจากคำภาษาละตินควอนตัมซึ่งหมายถึง "ปริมาณ" มันคือ 'ปริมาณพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องตามสัดส่วนของขนาดกับความถี่ของการแผ่รังสีที่มันแสดง' ในทางฟิสิกส์ ไม่ต่อเนื่องหมายถึงสิ่งที่ไม่ต่อเนื่องหรือชัดเจน ควอนตัมหมายถึงจำนวนที่ไม่ซ้ำกันหรือมีนัยสำคัญในแง่นี้
การคำนวณควอนตัมคืออะไร?
คอมพิวเตอร์ควอนตัม กำลังใช้วิธีพีชคณิตเพื่อสร้างอัลกอริธึมสำหรับการคำนวณ ซึ่งมักจะเหมือนหรือคล้ายกับที่ใช้ในฟิสิกส์ควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมหมายถึงทฤษฎีฟิสิกส์พื้นฐานที่อธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของธรรมชาติที่ขนาดของอะตอมและอนุภาคของอะตอม
A คอมพิวเตอร์ควอนตัม จึงเป็นคอมพิวเตอร์สมมุติที่สามารถใช้อัลกอริธึมดังกล่าวได้ เป็นผลให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีพื้นฐานมาจากควอนตัมบิตหรือที่เรียกว่า qubits ซึ่งอาจสร้างขึ้นจากอิเล็กตรอนตัวเดียว
วัสดุควอนตัมทำงานตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม โดยใช้แนวคิดเช่น การคำนวณความน่าจะเป็น การซ้อนทับ และ สิ่งกีดขวาง. แนวคิดเหล่านี้เป็นรากฐานสำหรับอัลกอริธึมควอนตัม ซึ่งใช้ความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อจัดการกับปัญหาที่ซับซ้อน
ในบทความนี้ ผมจะพูดถึงทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับการพัวพันควอนตัม
การพัวพันควอนตัมคืออะไร?
การพัวพันกันของควอนตัมเกิดขึ้นเมื่อระบบสองระบบเชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด โดยที่การรู้เกี่ยวกับระบบหนึ่งจะช่วยให้คุณรู้ทันทีเกี่ยวกับอีกระบบหนึ่ง ไม่ว่าระบบจะห่างกันแค่ไหนก็ตาม
นักวิทยาศาสตร์อย่างไอน์สไตน์รู้สึกงุนงงกับปรากฏการณ์นี้ ซึ่งเขาขนานนามว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" เนื่องจากมันผิดกฎที่ว่าไม่มีข้อมูลใดที่สามารถส่งข้อมูลได้เร็วกว่าความเร็วของแสง อย่างไรก็ตาม การทดลองเพิ่มเติมโดยใช้โฟตอนและอิเล็กตรอน ได้ตรวจสอบการพัวพันกัน
ความยุ่งเหยิงเป็นรากฐานที่สำคัญของการคำนวณควอนตัม การพัวพันของควอนตัมในฟิสิกส์หมายถึงความเชื่อมโยงที่แข็งแกร่งอย่างมากระหว่างอนุภาคควอนตัม การเชื่อมต่อนี้แข็งแกร่งมากจนอนุภาคควอนตัมตั้งแต่สองตัวขึ้นไปสามารถเชื่อมต่อกันอย่างไม่ลดละในขณะที่ถูกคั่นด้วยระยะทางมหาศาล
เพื่อให้เข้าใจมากขึ้น ให้พิจารณาการเปรียบเทียบง่ายๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์หรือคอมพิวเตอร์ พิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าไม่ใช่หนึ่งเหรียญ แต่ถูกโยนสองเหรียญ โดยปกติ ไม่ว่าเหรียญหนึ่งเหรียญจะตกที่หัวหรือก้อย มีผลเพียงเล็กน้อยต่อผลลัพธ์ของการโยนเหรียญครั้งที่สอง
อย่างไรก็ตาม ในกรณีของพัวพัน ทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกันหรือพันกัน ไม่ว่าจะแยกออกจากกันทางกายภาพหรือไม่ ในกรณีนี้ ถ้าเหรียญหนึ่งลงหัว เหรียญที่สองก็จะแสดงหัวเช่นเดียวกัน และในทางกลับกัน
ทำความเข้าใจกับควอนตัมพัวพัน (พร้อมตัวอย่าง)
การพัวพันกันของควอนตัมเป็นสถานการณ์ที่ระบบสองระบบ (โดยทั่วไปคืออิเล็กตรอนหรือโฟตอน) มีการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดจนได้รับข้อมูลเกี่ยวกับ "สถานะ" ของระบบหนึ่ง (ทิศทางของการหมุนของอิเล็กตรอนว่า "ขึ้น") จะให้ความรู้ทันทีเกี่ยวกับอีกระบบหนึ่ง “สถานะ” (ทิศทางของการหมุนของอิเล็กตรอนที่สอง พูดว่า “ลง”) ไม่ว่าระบบเหล่านี้จะอยู่ห่างไกลกันเพียงใด
วลี "ทันที" และ "ไม่ว่าจะห่างกันแค่ไหน" ก็มีความสำคัญ ปรากฏการณ์นี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยอย่างไอน์สไตน์ เนื่องจากรัฐไม่ได้กำหนดไว้จนกว่าจะมีการวัด และการส่งข้อมูลขัดต่อกฎฟิสิกส์คลาสสิกที่ว่าข้อมูลไม่สามารถขนส่งได้เร็วกว่าความเร็วแสง
อย่างไรก็ตาม การพัวพันได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้ทั้งโฟตอนและอิเล็กตรอนตั้งแต่ช่วงปี 1980 ต้องขอบคุณการวิจัยและการทดสอบที่เริ่มขึ้นในทศวรรษ 1980
อนุภาคย่อยของอะตอม (อิเล็กตรอน) สามารถผลิตได้ XNUMX อนุภาคเพื่อให้สามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่นเดี่ยว การพัวพันกันสามารถทำได้ในวิธีเดียวโดยปล่อยให้อนุภาคหลักที่มีการหมุนเป็นศูนย์สลายตัวเป็นอนุภาคลูกสาวสองอันที่พันกันด้วยสปินที่เท่ากัน แต่ตรงกันข้าม
หากอนุภาคของลูกสาวสองคนไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งใด ๆ ฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะเท่ากันและตรงข้ามกันไม่ว่าจะวัดห่างกันแค่ไหน นักวิทยาศาสตร์กำหนดโดยการทดสอบว่าเวลาของการพัวพันไม่มีผลกระทบต่อข้อมูล
แต่ข้อมูลจะถูกส่งไปยังอนุภาคอื่นด้วยอัตราที่เร็วกว่าความเร็วแสงก็ต่อเมื่อข้อมูลของอนุภาคหนึ่งถูกวัดเท่านั้น
ส่งผลให้ข้อมูลไหลไปตามจังหวะนี้ แต่เราไม่สามารถควบคุมมันได้ การขาดการควบคุมนี้จำกัดการใช้งาน Quantum Entanglement เช่น การส่งข้อความหรือข้อมูลอื่นๆ ที่เร็วกว่าความเร็วแสง
ความพัวพันมีบทบาทอะไรในการคำนวณควอนตัม?
การเปลี่ยนสถานะของ qubit ที่พันกันจะเปลี่ยนสถานะของ qubit ที่จับคู่ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมทันที ด้วยเหตุนี้ การพัวพันจึงเร่งความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ควอนตัม
เนื่องจากการประมวลผลหนึ่ง qubit เปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับ qubits จำนวนมาก การเพิ่มจำนวน qubits เป็นสองเท่าไม่จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนของกระบวนการ (เช่น qubits ที่พันกัน)
ตามการศึกษาพบว่าการพัวพันของควอนตัมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอัลกอริธึมควอนตัมเพื่อส่งมอบการเร่งความเร็วแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลเหนือการคำนวณแบบดั้งเดิม
แอปพลิเคชั่นพัวพันในการคำนวณควอนตัม
การใช้งานหลายอย่างสามารถได้รับประโยชน์จากลักษณะทางกายภาพที่ไม่ซ้ำแบบใคร ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงปัจจุบันและอนาคตของเรา การเข้ารหัสควอนตัม การเข้ารหัสที่หนาแน่นมาก บางทีการส่งที่เร็วกว่าแสง และแม้กระทั่งการเคลื่อนย้ายทางไกลอาจเปิดใช้งานได้ทั้งหมดจากการพัวพัน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมมีศักยภาพในการรับมือกับความท้าทายด้านเวลาและการประมวลผลที่ใช้พลังงานสูงในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงการเงินและการธนาคาร
การพัวพันกันของควอนตัมเป็นปรากฏการณ์ที่อาจช่วยคอมพิวเตอร์ดังกล่าวโดยการลดระยะเวลาและกำลังในการประมวลผลที่จำเป็นต่อการจัดการการไหลของข้อมูลระหว่างคิวบิต
1. การเข้ารหัสควอนตัม
ในการเข้ารหัสแบบคลาสสิก ผู้ส่งเข้ารหัสข้อความด้วยคีย์เดียว ในขณะที่ผู้รับถอดรหัสด้วยคีย์ที่ใช้ร่วมกัน อย่างไรก็ตาม มีอันตรายที่บุคคลที่สามจะได้รับความรู้เกี่ยวกับกุญแจและสามารถสกัดกั้นและบ่อนทำลายการเข้ารหัสได้
การสร้างช่องทางที่ปลอดภัยระหว่างทั้งสองฝ่ายเป็นรากฐานที่สำคัญของการเข้ารหัสที่ไม่แตกหัก สิ่งกีดขวางอาจทำให้เกิดสิ่งนี้ เนื่องจากทั้งสองระบบพัวพันกัน ระบบจึงมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน (เมื่อระบบหนึ่งเปลี่ยนแปลง อีกระบบหนึ่งก็เปลี่ยนด้วย) และไม่มีบุคคลที่สามรายใดจะแบ่งปันความสัมพันธ์นี้
การเข้ารหัสด้วยควอนตัมยังได้รับประโยชน์จากการไม่โคลน ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแบบจำลองที่เหมือนกันของสถานะควอนตัมที่ไม่รู้จัก ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะทำซ้ำข้อมูลที่เข้ารหัสในสถานะควอนตัม
ด้วยการกระจายคีย์ควอนตัมที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ การเข้ารหัสควอนตัมได้รับการรับรู้แล้ว (QKD) QKD ใช้โฟตอนโพลาไรซ์แบบสุ่มเพื่อสื่อสารข้อมูลเกี่ยวกับคีย์ ผู้รับถอดรหัสคีย์โดยใช้ตัวกรองโพลาไรซ์และเทคนิคที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อความ
ข้อมูลลับยังคงถูกถ่ายโอนผ่านสายการสื่อสารมาตรฐาน แต่เฉพาะคีย์ควอนตัมเท่านั้นที่สามารถถอดรหัสข้อความได้ เนื่องจาก "การอ่าน" โฟตอนโพลาไรซ์เปลี่ยนสถานะ การดักฟังจึงเตือนผู้สื่อสารถึงการบุกรุก
ปัจจุบันเทคโนโลยี QKD ถูกจำกัดด้วยสายเคเบิลใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถส่งโฟตอนได้ประมาณ 100 กม. ก่อนที่จะจางเกินกว่าจะรับได้ ในปี 2004 การโอนเงินผ่านธนาคาร QKD ที่พัวพันครั้งแรกเกิดขึ้นในออสเตรีย
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการส่งผ่านการสื่อสารที่ไม่แตกหักและป้องกันการงัดแงะซึ่งมีความปลอดภัยที่พิสูจน์ได้ตามหลักการทางกายภาพนั้นมีการใช้งานที่ชัดเจนในด้านการเงิน การธนาคาร การทหาร การแพทย์ และภาคอื่นๆ ธุรกิจหลายแห่งกำลังใช้ QKD ที่พันกัน
2. การเคลื่อนย้ายควอนตัม
การเทเลพอร์ตด้วยควอนตัมยังเป็นวิธีการส่งข้อมูลควอนตัมระหว่างสองฝ่าย เช่น โฟตอน อะตอม อิเล็กตรอน และวงจรตัวนำยิ่งยวด จากการวิจัยพบว่าการเทเลพอร์ตช่วยให้ QCs ทำงานคู่ขนานกันในขณะที่ใช้ไฟฟ้าน้อยลง ลดการใช้พลังงานลง 100 ถึง 1000 เท่า
ความแตกต่างระหว่างการเคลื่อนย้ายควอนตัมและการเข้ารหัสควอนตัมมีดังนี้:
- การแลกเปลี่ยนควอนตัมเทเลพอร์ตผ่านช่องทางคลาสสิก ข้อมูล "ควอนตัม" จะถูกส่ง
- การแลกเปลี่ยนการเข้ารหัสควอนตัมผ่านช่องทางควอนตัม ข้อมูล "คลาสสิก" จะถูกส่ง
ความต้องการพลังงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมทำให้เกิดความร้อน ซึ่งเป็นความท้าทายที่ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำเช่นนี้ เทเลพอร์ตมีศักยภาพที่จะนำไปสู่โซลูชันการออกแบบที่จะเร่งการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม
3. ระบบชีวภาพ
ร่างกายมนุษย์ก็เหมือนกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องอันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของกระบวนการทางเคมีและทางชีววิทยานับล้าน จนกระทั่งไม่นานมานี้ พวกมันถูกสันนิษฐานว่าเป็นเส้นตรง โดยที่ "A" นำไปสู่ "B" อย่างไรก็ตาม ควอนตัมชีววิทยาและชีวฟิสิกส์ได้เปิดเผยความสอดคล้องกันจำนวนมากในระบบทางชีววิทยา โดย QE มีบทบาท
ทางหน่วยย่อยที่หลากหลายของ โครงสร้างโปรตีน ถูกบรรจุเข้าด้วยกันได้รับการพัฒนาเพื่อให้สามารถพัวพันและการเชื่อมโยงกันของควอนตัมได้อย่างยั่งยืน ชีววิทยาควอนตัมยังคงเป็นหัวข้อทางทฤษฎีที่มีข้อกังวลที่ไม่ได้รับคำตอบมากมาย เมื่อได้รับการแก้ไขแล้ว การประยุกต์ใช้ในทางการแพทย์จะมองเห็นได้ชัดเจนขึ้น
ในทางทฤษฎี คอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจมีลักษณะคล้ายกับธรรมชาติ (โดยการจำลองพันธะอะตอม) และระบบทางชีววิทยาของควอนตัมได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป
4. การเข้ารหัส Superdense
การเข้ารหัส Superdense เป็นวิธีการส่งข้อมูลสองบิตแบบธรรมดาโดยใช้ qubit ที่พันกันเพียงตัวเดียว รหัสที่มีความหนาแน่นสูงสามารถ:
- อนุญาตให้ผู้ใช้ส่งข้อมูลครึ่งหนึ่งที่จำเป็นในการสร้างข้อความคลาสสิกขึ้นใหม่ล่วงหน้า อนุญาตให้ผู้ใช้สื่อสารด้วยความเร็วเป็นสองเท่าจนกว่า qubits ที่ส่งล่วงหน้าจะหมด
- ความจุของช่องควอนตัมแบบสองทางในทิศทางเดียวจะเพิ่มเป็นสองเท่า
- แปลงแบนด์วิดท์ที่มีความหน่วงสูงเป็นแบนด์วิดท์ที่มีความหน่วงต่ำโดยส่งข้อมูลครึ่งหนึ่งผ่านแชนเนลที่มีความหน่วงสูงเพื่อรองรับข้อมูลที่เข้ามาในแชนเนลความหน่วงต่ำ
การสื่อสารแต่ละรุ่นได้เรียกร้องให้มีการถ่ายโอนข้อมูลมากขึ้น การเพิ่มข้อมูลที่เปรียบเทียบได้จะสามารถทำได้ด้วยการเข้ารหัสที่มีความหนาแน่นสูง
สรุป
การพัวพันกันของควอนตัมอาจทำให้เราทำงานกับข้อมูลในรูปแบบที่ไม่สามารถจินตนาการได้ก่อนหน้านี้ ด้วยการผสานรวมการคำนวณควอนตัมเข้ากับสิ่งกีดขวาง เราจะสามารถตอบปัญหาที่ต้องการข้อมูลจำนวนมหาศาลได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยยิ่งขึ้น
ด้วยการเพิ่มการประยุกต์ใช้ทางชีววิทยาและดาราศาสตร์ QE อาจถูกนำมาใช้เพื่อตอบปัญหาที่มนุษย์ไตร่ตรองมานาน: เรามาจากไหนและมันเริ่มต้นอย่างไร
ยิ่งเทคโนโลยีล้ำหน้ามากเท่าไหร่ เราก็จะพบแอปพลิเคชั่นมากขึ้นเท่านั้น—มีคำมั่นสัญญามากมาย!
เขียนความเห็น