Зміст[Сховати][Показати]
Квантові обчислення обробляють дані, використовуючи принципи квантової механіки. У результаті квантові обчислення вимагають іншого підходу, ніж класичні обчислення. Процесор, який використовується в квантових комп’ютерах, є одним із прикладів цієї відмінності.
У той час як традиційні комп’ютери використовують процесори на основі кремнію, квантові комп’ютери використовують квантові системи, такі як атоми, іони, фотони або електрони. Вони використовують квантові особливості для представлення бітів, які можуть бути створені в різних квантових суперпозиціях 1 і 0.
Отже, що саме означає термін «квант» у цьому контексті? Це значний стрибок?
Термін квант походить від латинського слова quantum, що означає «кількість». У фізиці це «дискретна кількість енергії, пропорційна за величиною частоті випромінювання, яке вона представляє». Дискретне відноситься до чогось, що не є ні безперервним, ні чітким. Квант відноситься до унікальних або значних сум у цьому сенсі.
Що таке квантові обчислення?
Квантові обчислення використовує алгебраїчні методи для побудови алгоритмів для обчислень, які часто є такими ж або подібними до тих, що використовуються в квантовій фізиці. Квантова механіка, у свою чергу, відноситься до базової фізичної теорії, яка занурюється в пояснення фізичних якостей природи за розміром атомів і субатомних частинок.
A квантовий комп'ютер Таким чином, це гіпотетичний комп’ютер, здатний реалізувати такі алгоритми. Як наслідок, квантові комп’ютери фундаментально засновані на квантових бітах, також відомих як кубіти, які можуть бути створені з одного електрона.
Квантовий матеріал веде себе відповідно до правил квантової механіки, використовуючи такі поняття, як ймовірнісні обчислення, суперпозиція та заплутаність. Ці ідеї слугують основою для квантових алгоритмів, які використовують можливості квантових комп’ютерів для вирішення складних проблем.
У цій статті я обговорю все, що вам потрібно знати про квантову заплутаність.
Що таке квантова заплутаність?
Квантова заплутаність виникає, коли дві системи настільки тісно пов’язані між собою, що знання про одну дає вам негайне знання про іншу, незалежно від того, наскільки вони віддалені.
Такі вчені, як Ейнштейн, були збентежені цим явищем, яке він назвав «жахливою дією на відстані», оскільки воно порушило правило, що жодна інформація не може передаватися швидше, ніж швидкість світла. Однак додаткові експерименти з використанням фотонів та електронів підтвердили заплутаність.
Заплутаність є наріжним каменем квантових обчислень. Квантова заплутаність у фізиці відноситься до дуже сильного зв’язку між квантовими частинками. Цей зв’язок настільки сильний, що дві чи більше квантових частинок можуть бути невідворотно з’єднані, будучи розділені на величезні відстані.
Щоб краще зрозуміти це, розглянемо просте порівняння, яке не має відношення до фізики чи обчислень. Поміркуйте, що було б, якби підкинули не одну, а дві монети. Зазвичай те, чи попадеться одна монета на головку чи решку, мало впливає на результат другого підкидання монети.
Однак у разі заплутування обидві частини з’єднані або заплутані, незалежно від того, чи вони фізично відокремлені. У цьому випадку, якщо одна монета потрапляє на головки, друга монета також відображатиме головки, і навпаки.
Розуміння квантової заплутаності (на прикладі)
Квантова заплутаність дійсно є ситуацією, в якій дві системи (як правило, електрони або фотони) настільки тісно пов’язані, що отримання інформації про «стан» однієї системи (напрямок обертання електрона, скажімо «Вгору») дало б миттєві знання про стан іншої системи. «стан» (напрямок обертання другого електрона, скажімо «вниз»), незалежно від того, наскільки віддалені ці системи існують.
Фрази «миттєво» та «незалежно від того, наскільки вони віддалені» є важливими. Це явище збентежило таких вчених, як Ейнштейн, оскільки стан не визначається, поки його не виміряють, а передача інформації суперечить правилу класичної фізики, згідно з яким інформацію не можна переносити швидше, ніж швидкість світла.
Проте було доведено, що заплутування використовує як фотони, так і електрони з 1980-х років, завдяки дослідженням і випробуванням, які почалися в 1980-х.
Дві субатомні частинки (електрони) можна створити так, щоб їх можна було описати однією хвильовою функцією. Заплутування може бути досягнуто одним методом, дозволяючи батьківській частинці з нульовими спінами розпадатися на дві заплутані дочірні частинки з рівними, але протилежними спінами.
Якщо дві дочірні частинки ні з чим не взаємодіють, їх хвильові функції залишаться рівними та протилежними, незалежно від того, на якій відстані один від одного вони виміряні. За допомогою тестування вчені встановили, що час заплутування не вплинув на інформацію.
Натомість інформація надсилається іншій частинці зі швидкістю, вищою за швидкість світла, лише коли вимірюється інформація про одну частинку.
В результаті інформація надходить у такому темпі. Але у нас немає контролю над цим – ця відсутність контролю обмежує використання квантової заплутаності, наприклад, надсилання повідомлення чи іншої інформації швидше, ніж швидкість світла.
Яку роль відіграє заплутаність у квантових обчисленнях?
Зміна стану заплутаного кубіта миттєво змінює стан парного кубіта в квантових комп’ютерах. В результаті заплутування прискорює швидкість обробки квантових комп’ютерів.
Оскільки обробка одного кубіта виявляє інформацію про численні кубіти, подвоєння кількості кубітів не обов’язково збільшує кількість процесів (тобто заплутаних кубітів).
Згідно з дослідженнями, квантова заплутаність необхідна для того, щоб квантовий алгоритм забезпечував експоненціальне прискорення порівняно з класичними розрахунками.
Застосування заплутування в квантових обчисленнях
Ця унікальна фізична характеристика може змінити наше сьогодення і майбутнє. Квантове шифрування, надщільне кодування, передача, можливо, швидша за світло, і навіть телепортація можуть бути увімкнені за допомогою заплутування.
Квантові комп’ютери мають потенціал для вирішення проблем, пов’язаних із енергоємними витратами часу та обробки, у різних галузях, включаючи фінанси та банківську справу.
Квантова заплутаність – це явище, яке може допомогти таким комп’ютерам, зменшуючи час і потужність обробки, необхідні для обробки потоків даних між їхніми кубітами.
1. Квантова криптографія
У класичній криптографії відправник кодує повідомлення одним ключем, а одержувач декодує його за допомогою спільного ключа. Однак існує небезпека, що третя сторона отримає інформацію про ключі та зможе перехопити та підірвати криптографію.
Створення безпечного каналу між двома сторонами є наріжним каменем непорушної криптографії. До цього може призвести заплутування. Оскільки обидві системи заплутані, вони корелюють одна з одною (коли одна змінюється, змінюється й інша), і жодна третя сторона не поділяє цю кореляцію.
Квантова криптографія також виграє від відсутності клонування, що означає, що неможливо створити ідентичну копію невідомого квантового стану. В результаті неможливо відтворити дані, закодовані в квантовому стані.
Завдяки непроникному розподілу квантових ключів квантова криптографія вже реалізована (QKD). QKD використовує випадково поляризовані фотони для передачі інформації про ключ. Одержувач розшифровує ключ за допомогою поляризаційних фільтрів і техніки, яка використовується для шифрування повідомлення.
Секретні дані все ще передаються через стандартні лінії зв'язку, але тільки точний квантовий ключ може декодувати повідомлення. Оскільки «читання» поляризованих фотонів змінює їхній стан, будь-яке підслуховування попереджає комунікаторів про вторгнення.
Технологія QKD наразі обмежена оптоволоконним кабелем, який може доставляти фотон на відстань близько 100 км, перш ніж він стане занадто слабким для прийому. У 2004 році в Австрії відбувся перший заплутаний банківський переказ QKD.
Забезпечення передачі непорушних і захищених від несанкціонованого доступу комунікацій, які є доказово безпечними на основі фізичних принципів, має очевидне застосування у фінансах, банківській справі, військових, медичних та інших секторах. Зараз кілька компаній використовують заплутаний QKD.
2. Квантова телепортація
Квантова телепортація також є методом передачі квантової інформації між двома сторонами, такими як фотони, атоми, електрони та надпровідні кола. Згідно з дослідженнями, телепортація дозволяє QC працювати паралельно, використовуючи менше електроенергії, що знижує споживання енергії в 100-1000 разів.
Різниця між квантовою телепортацією та квантовою криптографією полягає в наступному:
- Обмін квантовою телепортацією По класичному каналу передається «квантова» інформація.
- Обмін квантовою криптографією По квантовому каналу передається «класична» інформація.
Потреби в енергії квантових комп’ютерів виробляють тепло, що є проблемою, враховуючи, що вони повинні працювати при таких низьких температурах. Телепортація може призвести до проектних рішень, які прискорять розвиток квантових обчислень.
3. Біологічна система
Організм людини, як і всі істоти, постійно змінюється внаслідок взаємодії мільйонів хімічних і біологічних процесів. Донедавна вважалося, що вони є лінійними, а «А» веде до «В». Однак квантова біологія та біофізика виявили величезну кількість когерентності всередині біологічних систем, причому КО відіграє роль.
Шлях різноманітних субодиниць білкові структури упаковані разом розроблено, щоб забезпечити тривалу квантову заплутаність і когерентність. Квантова біологія все ще є теоретичною темою з різними проблемами без відповіді; коли вони будуть розглянуті, застосування в медицині стане все більш помітним.
Теоретично квантові обчислення можуть краще нагадувати природу (шляхом моделювання атомного зв’язку) і квантові біологічні системи, ніж класичні комп’ютери.
4. Надщільне кодування
Надщільне кодування — це метод передачі двох звичайних бітів інформації за допомогою одного заплутаного кубіта. Надщільний код може:
- Дозволяє користувачеві надіслати половину того, що необхідно для відновлення класичного повідомлення завчасно, дозволяючи користувачеві спілкуватися з подвійною швидкістю, доки не закінчаться попередньо доставлені кубіти.
- Пропускна здатність двостороннього квантового каналу в одному напрямку подвоюється.
- Перетворіть смугу пропускання з великою затримкою в пропускну здатність з низькою затримкою, передаючи половину даних по каналу з високою затримкою для підтримки даних, що надходять через канал з низькою затримкою.
Кожне покоління комунікацій вимагає більшої передачі даних. Порівнянний приріст інформації буде можливим за допомогою надщільного кодування.
Висновок
Квантова заплутаність може дозволити нам працювати з даними немислимими раніше способами. Завдяки інтеграції квантових обчислень із заплутанням ми зможемо відповісти на питання, які потребують величезної кількості даних, більш ефективним і безпечним способом.
З додаванням біологічних та астрономічних застосувань QE може бути використано для відповіді на питання, над якими люди довго розмірковували: звідки ми прийшли і як все почалося?
Чим більше буде розвиватися технологія, тим більше застосувань ми знайдемо для неї — вона має величезні перспективи!
залишити коментар