量子计算使用量子力学原理处理数据。 因此,量子计算需要与经典计算不同的方法。 量子计算机中使用的处理器就是这种区别的一个例子。
传统计算机使用基于硅的处理器,而量子计算机使用原子、离子、光子或电子等量子系统。 他们使用量子特征来表示可以在 1 和 0 的各种量子叠加中创建的位。
那么,在这种情况下,“量子”一词究竟是什么意思呢? 这是一个重大的飞跃吗?
量子一词源自拉丁语quantum,意思是“数量”。 它是物理学中“与它所代表的辐射频率成正比的离散能量量”。 离散是指既不连续也不独特的事物。 在这个意义上,量子是指独特的或重要的数量。
什么是量子计算?
量子计算 正在使用代数方法来构建计算算法,这些算法通常与量子物理学中使用的算法相同或相似。 反过来,量子力学指的是一种基本的物理理论,它深入解释了原子和亚原子粒子大小的自然物理性质。
A 量子计算机 因此,它是一台能够实现此类算法的假设计算机。 因此,量子计算机基本上基于量子比特,也称为量子比特,它可以由单个电子创建。
量子材料的行为符合量子力学规则,利用概率计算、叠加和 纠葛. 这些想法是量子算法的基础,它利用量子计算机的能力来解决复杂的问题。
在本文中,我将讨论您需要了解的有关量子纠缠的所有信息。
什么是量子纠缠?
当两个系统如此紧密地联系在一起时,就会发生量子纠缠,以至于了解一个系统可以让您立即了解另一个系统,无论它们相距多远。
像爱因斯坦这样的科学家对这种现象感到困惑,他称之为“一种幽灵般的远距离动作”,因为它打破了信息传输速度不能超过光速的规则。 然而,使用光子和电子的额外实验证实了纠缠。
纠缠是量子计算的基石。 物理学中的量子纠缠是指量子粒子之间的高度强联系。 这种联系是如此强大,以至于两个或多个量子粒子可以无情地连接在一起,同时相隔很远的距离。
为了进一步掌握这一点,请考虑一个与物理或计算无关的简单比较。 考虑一下如果不是投掷一枚,而是投掷两枚硬币会发生什么。 通常,一枚硬币是正面还是反面与第二次抛硬币的结果几乎没有关系。
但是,在纠缠的情况下,无论它们是否在物理上是分开的,这两个部分都是连接的或纠缠的。 在这种情况下,如果一枚硬币正面朝上,第二枚硬币同样会出现正面,反之亦然。
理解量子纠缠(举例)
量子纠缠确实是这样一种情况,其中两个系统(通常是电子或光子)如此紧密地联系在一起,以至于获取有关一个系统的“状态”(电子自旋的方向,比如“向上”)的信息将产生关于另一个系统的即时信息。 “状态”(第二个电子自旋的方向,比如“向下”),无论这些系统相距多远。
“即时”和“不管它们相距多远”这两个短语很重要。 这种现象让像爱因斯坦这样的科学家感到困惑,因为状态在被测量之前是没有定义的,而且信息传输违背了经典的物理规则,即信息的传输速度不能超过光速。
然而,由于 1980 年代开始的研究和测试,自 1980 年代以来,纠缠已被证明同时使用光子和电子。
可以产生两个亚原子粒子(电子),因此它们可以用单个波函数来描述。 可以通过一种方法实现纠缠,即允许具有零自旋的母粒子衰变为具有相等但相反自旋的两个纠缠的子粒子。
如果两个子粒子不与任何东西相互作用,那么无论它们相距多远,它们的波函数都将保持相等和相反。 科学家通过测试确定纠缠的时间对信息没有影响。
相反,只有在测量一个粒子的信息时,信息才会以比光速更快的速度发送给另一个粒子。
结果,信息以这种速度流动。 但我们无法控制它——这种缺乏控制限制了量子纠缠的使用,例如以比光速更快的速度发送消息或其他信息。
纠缠在量子计算中扮演什么角色?
改变纠缠量子比特的状态会瞬间改变量子计算机中配对量子比特的状态。 因此,纠缠加速了量子计算机的处理速度。
因为处理一个量子位会揭示有关众多量子位的信息,所以将量子位的数量增加一倍并不一定会增加进程的数量(即纠缠的量子位)。
研究表明,量子纠缠是量子算法在经典计算上实现指数加速所必需的。
量子计算中的纠缠应用
一些应用可以从这种独一无二的物理特性中受益,这将改变我们的现在和未来。 量子加密、超密集编码、可能比光速更快的传输,甚至隐形传输都可能通过纠缠实现。
量子计算机有潜力解决包括金融和银行业在内的各种行业的时间和处理能力密集型挑战。
量子纠缠是一种可能通过减少处理其量子位之间的数据流所需的时间和处理能力来帮助此类计算机的现象。
1. 量子密码学
在经典密码学中,发送者使用一个密钥对消息进行编码,而接收者使用共享密钥对其进行解码。 但是,存在第三方获得有关密钥的知识并能够拦截和破坏密码学的危险。
在两方之间创建安全通道是牢不可破的密码学的基石。 纠缠会导致这种情况。 由于两个系统纠缠在一起,它们相互关联(当一个发生变化时,另一个也会发生变化),并且没有第三方会分享这种关联性。
量子密码学也受益于无克隆,这意味着不可能生成未知量子态的相同副本。 因此,不可能复制以量子态编码的数据。
凭借不可穿透的量子密钥分发,量子密码学已经实现(QKD)。 QKD 使用随机偏振光子来传达有关密钥的信息。 接收者使用极化过滤器和用于加密消息的技术来解密密钥。
秘密数据仍通过标准通信线路传输,但只有准确的量子密钥才能解码消息。 因为“读取”偏振光子会改变它们的状态,所以任何窃听都会提醒通信者注意入侵。
QKD 技术目前受到光缆的限制,它可以传输约 100 公里的光子,然后变得太微弱而无法接收。 2004年,第一次纠缠的QKD银行转账发生在奥地利。
确保基于物理原理可证明安全的牢不可破和防篡改通信的传输在金融、银行、军事、医疗和其他领域具有明显的应用。 现在有几家企业正在使用纠缠的 QKD。
2. 量子隐形传态
量子隐形传态也是在两方之间传输量子信息的方法,例如光子、原子、电子和超导电路。 根据研究,远程传输允许 QC 并行运行,同时使用更少的电力将电力使用量降低 100 到 1000 倍。
量子隐形传态和量子密码学的区别如下:
- 量子隐形传态的交换通过经典通道,“量子”信息被发送。
- 量子密码学的交换通过量子通道,发送“经典”信息。
量子计算机的电力需求会产生热量,鉴于它们必须在如此低的温度下运行,这是一个挑战。 隐形传输有可能导致设计解决方案,从而加速量子计算的发展。
3. 生物系统
由于数以百万计的化学和生物过程的相互作用,人体与所有生物一样不断变化。 直到最近,它们还被认为是线性的,“A”通向“B”。 然而,量子生物学和生物物理学已经揭示了生物系统内部的大量相干性,其中 QE 发挥了作用。
不同亚基的方式 蛋白质结构 包装在一起的目的是为了实现持续的量子纠缠和相干性。 量子生物学仍然是一个理论课题,有许多悬而未决的问题; 当这些问题得到解决时,在医学上的应用将变得越来越明显。
理论上,量子计算可能比经典计算机更类似于自然(通过模拟原子键合)和量子生物系统。
4. 超密集编码
超密集编码是使用单个纠缠量子位传输两个常规信息位的方法。 超密集的代码可以:
- 允许用户提前发送重建经典消息所需的一半,允许用户以双倍的速度进行通信,直到预先交付的量子比特用完。
- 双向量子通道在一个方向上的容量加倍。
- 通过在高延迟通道上传输一半的数据以支持通过低延迟通道进入的数据,将高延迟带宽转换为低延迟带宽。
每一代通信都需要更多的数据传输。 使用超密集编码可以获得相当的信息增益。
结论
量子纠缠可以让我们以以前无法想象的方式处理数据。 通过将量子计算与纠缠相结合,我们将能够以更高效、更安全的方式解决需要大量数据的问题。
随着生物学和天文学应用的加入,QE 或许可以用来回答人类长期以来一直在思考的问题:我们从哪里来,又是如何开始的?
技术进步越多,我们就会找到越多的应用——它有着巨大的前景!
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