Tính toán lượng tử xử lý dữ liệu bằng cách sử dụng các nguyên tắc cơ học lượng tử. Do đó, tính toán lượng tử đòi hỏi một cách tiếp cận khác với tính toán cổ điển. Bộ xử lý được sử dụng trong máy tính lượng tử là một ví dụ về sự khác biệt này.
Trong khi các máy tính truyền thống sử dụng bộ xử lý dựa trên silicon, thì máy tính lượng tử sử dụng các hệ thống lượng tử như nguyên tử, ion, photon hoặc electron. Chúng sử dụng các đặc trưng lượng tử để biểu diễn các bit có thể được tạo ra trong các chồng chất lượng tử khác nhau của 1 và 0.
Vì vậy, chính xác thì thuật ngữ "lượng tử" có nghĩa là gì trong bối cảnh này? Nó có phải là một bước nhảy vọt đáng kể không?
Thuật ngữ lượng tử bắt nguồn từ từ tiếng La tinh quantum, có nghĩa là “số lượng”. Nó là một 'lượng năng lượng rời rạc tỷ lệ thuận về độ lớn với tần số của bức xạ mà nó biểu diễn' trong vật lý học. Rời rạc đề cập đến một cái gì đó không liên tục cũng không khác biệt. Lượng tử đề cập đến số lượng duy nhất hoặc đáng kể theo nghĩa này.
Điện toán lượng tử là gì?
Tính toán lượng tử đang sử dụng các phương pháp đại số để xây dựng các thuật toán cho các phép tính, các thuật toán này thường giống hoặc tương tự với các thuật toán được sử dụng trong vật lý lượng tử. Cơ học lượng tử, đến lượt nó, đề cập đến một lý thuyết vật lý cơ bản đi sâu vào giải thích các phẩm chất vật lý của tự nhiên ở kích thước của nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử.
A Máy tính lượng tử do đó là một máy tính giả định có khả năng thực hiện các thuật toán như vậy. Kết quả là, máy tính lượng tử về cơ bản dựa trên các bit lượng tử, còn được gọi là qubit, có thể được tạo ra từ một electron duy nhất.
Vật liệu lượng tử hoạt động theo các quy tắc cơ học lượng tử, sử dụng các khái niệm như tính toán xác suất, chồng chất và sự vướng víu. Những ý tưởng này đóng vai trò là nền tảng cho các thuật toán lượng tử, sử dụng các khả năng của máy tính lượng tử để giải quyết các vấn đề phức tạp.
Trong bài viết này, tôi sẽ thảo luận về tất cả những gì bạn cần biết về rối lượng tử.
Rối lượng tử là gì?
Rối lượng tử xảy ra khi hai hệ thống liên kết chặt chẽ với nhau đến mức biết về một hệ thống sẽ cung cấp cho bạn kiến thức ngay lập tức về hệ thống kia, bất kể chúng cách xa nhau như thế nào.
Các nhà khoa học như Einstein đã bị bối rối bởi hiện tượng này, mà ông gọi là "một hành động ma quái ở khoảng cách xa" vì nó đã phá vỡ quy tắc rằng không có thông tin nào có thể được gửi đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, các thí nghiệm bổ sung sử dụng photon và electron đã xác minh được sự vướng víu.
Sự vướng víu là nền tảng của tính toán lượng tử. Rối lượng tử trong vật lý đề cập đến một liên kết mạnh mẽ giữa các hạt lượng tử. Mối liên hệ này mạnh đến mức hai hoặc nhiều hạt lượng tử có thể được kết nối với nhau một cách bền vững trong khi bị phân tách bởi những khoảng cách rất lớn.
Để hiểu rõ hơn điều này, hãy xem xét một phép so sánh đơn giản không liên quan đến vật lý hoặc máy tính. Hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu không phải một mà là hai đồng xu được tung ra. Thông thường, việc một đồng xu rơi vào đầu hay sấp ít ảnh hưởng đến kết quả của lần tung đồng xu thứ hai.
Tuy nhiên, trong trường hợp vướng víu, cả hai phần đều được kết nối hoặc vướng vào nhau, bất kể chúng có tách biệt về mặt vật lý hay không. Trong trường hợp này, nếu một đồng xu chạm vào đầu, thì đồng xu thứ hai cũng sẽ hiển thị đầu và ngược lại.
Hiểu rối lượng tử (với ví dụ)
Rối lượng tử thực sự là một tình huống trong đó hai hệ thống (điển hình là electron hoặc photon) được liên kết chặt chẽ đến mức thu được thông tin về “trạng thái” của một hệ thống (hướng quay của electron, chẳng hạn như “Lên”) sẽ mang lại kiến thức tức thời về hệ thống kia "Trạng thái" (hướng quay của electron thứ hai, nói "Xuống") bất kể các hệ thống này tồn tại cách xa nhau như thế nào.
Các cụm từ “tức thì” và “bất kể chúng cách xa nhau như thế nào” đều có ý nghĩa. Hiện tượng này đã khiến các nhà khoa học như Einstein bối rối, vì trạng thái không được xác định cho đến khi nó được đo lường, và việc truyền thông tin bất chấp quy tắc vật lý cổ điển rằng thông tin không thể được truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Tuy nhiên, sự vướng víu đã được chứng minh là sử dụng cả photon và electron từ những năm 1980, nhờ nghiên cứu và thử nghiệm bắt đầu từ những năm 1980.
Hai hạt hạ nguyên tử (electron) có thể được tạo ra để chúng có thể được mô tả bằng một hàm sóng đơn. Sự vướng víu có thể đạt được trong một phương pháp bằng cách cho phép một hạt mẹ có spin bằng XNUMX phân rã thành hai hạt con vướng víu có spin bằng nhau nhưng ngược chiều nhau.
Nếu hai hạt con không tương tác với nhau, thì các hàm sóng của chúng sẽ bằng nhau và đối lập nhau cho dù chúng được đo ở khoảng cách bao nhiêu. Thông qua thử nghiệm, các nhà khoa học xác định rằng thời gian vướng víu không ảnh hưởng đến thông tin.
Thay vào đó, thông tin được gửi đến hạt kia với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng chỉ khi thông tin của một hạt được đo.
Kết quả là, thông tin chảy với tốc độ này. Nhưng chúng tôi không kiểm soát được nó - sự thiếu kiểm soát này hạn chế việc sử dụng Quantum Entanglement, chẳng hạn như gửi tin nhắn hoặc thông tin khác nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Sự vướng víu có vai trò gì trong tính toán lượng tử?
Thay đổi trạng thái của một qubit vướng víu ngay lập tức làm thay đổi trạng thái của qubit được ghép nối trong máy tính lượng tử. Kết quả là, sự vướng víu đẩy nhanh tốc độ xử lý của máy tính lượng tử.
Bởi vì việc xử lý một qubit tiết lộ thông tin về nhiều qubit, nên việc tăng gấp đôi số lượng qubit không nhất thiết làm tăng số lượng quá trình (tức là, các qubit vướng víu).
Theo các nghiên cứu, sự vướng víu lượng tử là cần thiết cho một thuật toán lượng tử để cung cấp tốc độ tăng theo cấp số nhân so với các phép tính cổ điển.
Các ứng dụng vướng mắc trong tính toán lượng tử
Một số ứng dụng có thể được hưởng lợi từ đặc tính vật lý có một không hai này, đặc tính này sẽ thay đổi hiện tại và tương lai của chúng ta. Mã hóa lượng tử, mã hóa siêu mật độ, có thể truyền nhanh hơn ánh sáng và thậm chí dịch chuyển tức thời, tất cả đều có thể được kích hoạt bởi sự vướng víu.
Máy tính lượng tử có tiềm năng giải quyết thời gian và xử lý các thách thức đòi hỏi nhiều năng lượng trong nhiều ngành khác nhau, bao gồm cả tài chính và ngân hàng.
Rối lượng tử là một hiện tượng có thể giúp ích cho các máy tính như vậy bằng cách giảm lượng thời gian và công suất xử lý cần thiết để xử lý luồng dữ liệu giữa các qubit của chúng.
1. Mật mã lượng tử
Trong mật mã cổ điển, người gửi mã hóa thông điệp bằng một khóa, trong khi người nhận giải mã bằng khóa chia sẻ. Tuy nhiên, có một nguy cơ là bên thứ ba sẽ có được kiến thức về các khóa và có thể đánh chặn và phá hoại mật mã.
Tạo một kênh an toàn giữa hai bên là nền tảng cho mật mã không thể phá vỡ. Sự vướng víu có thể gây ra điều này. Khi hai hệ thống vướng vào nhau, chúng có mối tương quan với nhau (khi một bên thay đổi, thì bên kia cũng vậy), và không có bên thứ ba nào chia sẻ mối tương quan này.
Mật mã lượng tử cũng được hưởng lợi từ việc không nhân bản, có nghĩa là không thể tạo ra một bản sao giống hệt của một trạng thái lượng tử chưa biết. Kết quả là không thể tái tạo dữ liệu được mã hóa ở trạng thái lượng tử.
Với phân phối khóa lượng tử không thể xuyên thủng, mật mã lượng tử đã được hiện thực hóa (QKD). QKD sử dụng các photon phân cực ngẫu nhiên để truyền đạt thông tin về khóa. Người nhận giải mã khóa bằng cách sử dụng bộ lọc phân cực và kỹ thuật được sử dụng để mã hóa thông điệp.
Dữ liệu bí mật vẫn được chuyển qua các đường liên lạc tiêu chuẩn, nhưng chỉ có khóa lượng tử chính xác mới có thể giải mã thông điệp. Bởi vì "đọc" các photon phân cực thay đổi trạng thái của chúng, bất kỳ hành vi nghe trộm nào đều cảnh báo cho người liên lạc về sự xâm nhập.
Công nghệ QKD hiện đang bị hạn chế bởi cáp quang, có thể phân phối một photon trong khoảng 100km trước khi trở nên quá mờ để nhận. Năm 2004, chuyển khoản ngân hàng QKD vướng mắc đầu tiên xảy ra ở Áo.
Đảm bảo việc truyền các thông tin liên lạc không thể phá vỡ và chống giả mạo được bảo mật dựa trên các nguyên tắc vật lý có ứng dụng rõ ràng trong tài chính, ngân hàng, quân sự, y tế và các lĩnh vực khác. Một số doanh nghiệp hiện đang sử dụng QKD vướng víu.
2. Dịch chuyển lượng tử
Dịch chuyển lượng tử cũng là phương pháp truyền thông tin lượng tử giữa hai bên, chẳng hạn như photon, nguyên tử, electron và mạch siêu dẫn. Theo nghiên cứu, dịch chuyển tức thời cho phép QC chạy song song trong khi sử dụng ít điện hơn, giảm mức tiêu thụ điện từ 100 đến 1000 lần.
Sự phân biệt giữa dịch chuyển lượng tử và mật mã lượng tử như sau:
- Trao đổi dịch chuyển lượng tử Qua một kênh cổ điển, thông tin "lượng tử" được gửi đi.
- Trao đổi mật mã lượng tử Qua một kênh lượng tử, thông tin "cổ điển" được gửi đi.
Nhu cầu năng lượng của máy tính lượng tử tạo ra nhiệt, đó là một thách thức đặt ra rằng chúng phải hoạt động ở nhiệt độ thấp như vậy. Phép dịch chuyển có tiềm năng dẫn đến các giải pháp thiết kế sẽ thúc đẩy sự phát triển của điện toán lượng tử.
3. Hệ thống sinh học
Cơ thể con người, giống như tất cả các sinh vật, liên tục thay đổi do sự tương tác của hàng triệu quá trình hóa học và sinh học. Cho đến gần đây, chúng được giả định là tuyến tính, với "A" dẫn đến "B." Tuy nhiên, sinh học lượng tử và lý sinh học đã khám phá ra một lượng lớn sự gắn kết bên trong các hệ thống sinh học, với QE đóng một vai trò nào đó.
Cách các tiểu đơn vị đa dạng của cấu trúc protein được đóng gói lại với nhau được phát triển để cho phép liên kết và vướng víu lượng tử bền vững. Sinh học lượng tử vẫn là một chủ đề lý thuyết với nhiều mối quan tâm chưa được giải đáp; khi chúng được giải quyết, các ứng dụng trong y học sẽ ngày càng trở nên rõ ràng.
Về lý thuyết, máy tính lượng tử có thể giống với tự nhiên (bằng cách mô phỏng liên kết nguyên tử) và các hệ thống sinh học lượng tử hơn là máy tính cổ điển.
4. Mã hóa siêu đặc
Mã hóa siêu đặc là phương pháp truyền hai bit thông tin thông thường bằng cách sử dụng một qubit vướng víu. Mã siêu đặc có thể:
- Cho phép người dùng gửi một nửa số nội dung cần thiết để tạo lại thông điệp cổ điển trước thời hạn, cho phép người dùng giao tiếp với tốc độ gấp đôi cho đến khi hết số qubit được phân phối trước.
- Dung lượng của một kênh lượng tử hai chiều theo một hướng tăng lên gấp đôi.
- Chuyển đổi băng thông có độ trễ cao thành băng thông có độ trễ thấp bằng cách truyền một nửa dữ liệu qua kênh có độ trễ cao để hỗ trợ dữ liệu đến qua kênh có độ trễ thấp.
Mỗi thế hệ giao tiếp đều yêu cầu truyền nhiều dữ liệu hơn. Sẽ có thể đạt được thông tin tương đương với mã hóa siêu đặc.
Kết luận
Sự vướng víu lượng tử có thể cho phép chúng ta làm việc với dữ liệu theo những cách không thể tưởng tượng được trước đây. Bằng cách tích hợp tính toán lượng tử với sự vướng víu, chúng tôi sẽ có thể giải đáp các vấn đề đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu theo cách hiệu quả và an toàn hơn.
Với việc bổ sung các ứng dụng sinh học và thiên văn, QE có thể được sử dụng để trả lời các vấn đề mà con người đã cân nhắc từ lâu: chúng ta đến từ đâu và tất cả bắt đầu như thế nào?
Công nghệ càng tiến bộ, chúng ta càng tìm thấy nhiều ứng dụng cho nó— nó có nhiều hứa hẹn!
Bình luận