量子計算利用量子力學原理處理數據。 因此,量子計算需要採用與經典計算不同的方法。 量子計算機中使用的處理器就是這種區別的一個例子。
傳統計算機採用矽基處理器,而量子計算機則使用原子、離子、光子或電子等量子系統。 它們利用量子特徵來表示可以在 1 和 0 的各種量子疊加中創建的比特。
那麼,“量子”一詞在這種情況下到底意味著什麼呢? 這是一個重大飛躍嗎?
“量子”一詞源自拉丁語“Quantum”,意思是“數量”。 在物理學中,它是“離散的能量量,其大小與其所代表的輻射頻率成正比”。 離散是指既不連續也不獨特的事物。 從這個意義上說,量子指的是獨特的或重要的數量。
什麼是量子計算?
量子計算 使用代數方法構建計算算法,這些算法通常與量子物理學中使用的算法相同或相似。 反過來,量子力學是指一種基本物理理論,它深入解釋原子和亞原子粒子大小的自然物理性質。
A 量子計算機 因此,它是一台能夠實現此類算法的假設計算機。 因此,量子計算機基本上基於量子比特,也稱為量子比特,它可以由單個電子創建。
量子材料的行為符合量子力學規則,利用了概率計算、疊加和量子計算等概念。 糾葛。 這些想法是量子算法的基礎,量子算法利用量子計算機的功能來解決複雜的問題。
在本文中,我將討論您需要了解的有關量子糾纏的所有信息。
什麼是量子糾纏?
當兩個系統聯繫如此緊密,以至於了解一個系統就能立即了解另一個系統時,就會發生量子糾纏,無論它們相距多遠。
愛因斯坦等科學家對這種現象感到困惑,他稱之為“幽靈般的超距作用”,因為它打破了信息傳輸速度不能超過光速的規則。 然而,使用光子和電子的其他實驗驗證了糾纏。
糾纏是量子計算的基石。 物理學中的量子糾纏是指量子粒子之間高度緊密的聯繫。 這種聯繫是如此之強,以至於兩個或多個量子粒子可以在相隔巨大距離的同時不可避免地連接在一起。
為了進一步理解這一點,請考慮與物理或計算無關的簡單比較。 考慮一下如果扔的不是一枚而是兩枚硬幣會發生什麼。 通常,一枚硬幣正面朝上還是反面朝上,對第二次拋硬幣的結果影響不大。
然而,在糾纏的情況下,兩個部分都是連接或糾纏的,無論它們在物理上是否分離。 在這種情況下,如果一枚硬幣正面朝上,第二枚硬幣也會同樣顯示正面,反之亦然。
了解量子糾纏(舉例)
量子糾纏確實是一種情況,其中兩個系統(通常是電子或光子)緊密相連,獲取有關一個系統“狀態”(電子自旋方向,稱為“向上”)的信息將產生有關另一個系統“狀態”(第二個電子自旋方向,稱為“向下”)的即時知識,無論這些系統存在多遠。
“即時”和“無論相距多遠”這兩個短語都很重要。 這種現象讓愛因斯坦等科學家感到困惑,因為狀態在測量之前是無法定義的,而信息傳輸違背了信息傳輸速度不能超過光速的經典物理規則。
然而,得益於 1980 世紀 1980 年代開始的研究和測試,自 XNUMX 世紀 XNUMX 年代以來,糾纏已被證明可以同時使用光子和電子。
可以產生兩個亞原子粒子(電子),以便可以用單個波函數來描述它們。 糾纏可以在一種方法中通過允許自旋為零的母粒子衰變成兩個具有相等但相反自旋的糾纏子粒子來實現。
如果兩個子粒子不與任何物體相互作用,那麼無論測量它們的距離有多遠,它們的波函數都將保持相等且相反。 科學家通過測試確定,糾纏時間對信息沒有影響。
相反,只有當一個粒子的信息被測量時,信息才會以比光速更快的速率發送到另一個粒子。
結果,信息以這種速度流動。 但我們無法控制它——這種缺乏控制限制了量子糾纏的使用,例如以比光速更快的速度發送消息或其他信息。
糾纏在量子計算中扮演什麼角色?
改變糾纏量子位的狀態會立即改變量子計算機中配對量子位的狀態。 因此,糾纏加快了量子計算機的處理速度。
由於處理一個量子位會揭示有關多個量子位的信息,因此將量子位數量加倍並不一定會增加過程(即糾纏量子位)的數量。
根據研究,量子糾纏是量子算法所必需的,才能比經典計算提供指數級的加速。
量子計算中的糾纏應用
多種應用可以受益於這種獨一無二的物理特性,這將改變我們的現在和未來。 量子加密、超密集編碼、也許比光速還快的傳輸,甚至隱形傳態都可能通過糾纏來實現。
量子計算機有潛力解決金融和銀行等多個行業中時間和處理能力密集型的挑戰。
量子糾纏是一種可能通過減少處理量子位之間的數據流所需的時間和處理能力來幫助此類計算機的現象。
1. 量子密碼學
在經典密碼學中,發送者使用一個密鑰對消息進行編碼,而接收者則使用共享密鑰對其進行解碼。 然而,存在第三方獲得有關密鑰的知識並能夠攔截和破壞密碼的危險。
在雙方之間創建安全通道是牢不可破的密碼學的基石。 糾纏可能會導致這種情況。 由於兩個系統糾纏在一起,它們彼此相關(當一個系統發生變化時,另一個系統也會發生變化),並且沒有第三方會分享這種相關性。
量子密碼學還受益於不可克隆,這意味著不可能生成未知量子態的相同副本。 因此,不可能複制以量子態編碼的數據。
憑藉難以破解的量子密鑰分發,量子密碼學(QKD)已經實現。 QKD 使用隨機偏振光子來傳達有關密鑰的信息。 接收者使用偏振濾波器和用於加密消息的技術來解密密鑰。
秘密數據仍然通過標准通信線路傳輸,但只有精確的量子密鑰才能解碼該消息。 由於“讀取”偏振光子會改變其狀態,因此任何竊聽都會向通信者發出入侵警報。
QKD 技術目前受到光纖電纜的限制,光纖電纜可以將光子傳送到大約 100 公里的距離,然後變得太微弱而無法接收。 2004年,第一起糾纏QKD銀行轉賬發生在奧地利。
確保基於物理原理的不可破解和防篡改的通信傳輸是可證明安全的,在金融、銀行、軍事、醫療和其他領域有著明顯的應用。 一些企業現在正在使用糾纏 QKD。
2. 量子隱形傳態
量子隱形傳態也是在光子、原子、電子、超導電路等兩方之間傳輸量子信息的方法。 根據研究,隱形傳輸允許 QC 並行運行,同時使用更少的電力,將電力使用量降低 100 至 1000 倍。
量子隱形傳態和量子密碼學的區別如下:
- 量子隱形傳態的交換通過經典通道發送“量子”信息。
- 量子密碼學的交換 通過量子通道,發送“經典”信息。
量子計算機的電力需求會產生熱量,鑑於它們必須在如此低的溫度下運行,這是一個挑戰。 隱形傳輸有可能帶來加速量子計算發展的設計解決方案。
3. 生物系統
人體與所有生物一樣,由於數以百萬計的化學和生物過程的相互作用而不斷變化。 直到最近,它們還被認為是線性的,“A”通向“B”。 然而,量子生物學和生物物理學已經發現生物系統內部存在大量的一致性,其中量化寬鬆發揮了作用。
不同亞基的方式 蛋白質結構 包裝在一起的目的是為了實現持續的量子糾纏和相干。 量子生物學仍然是一個理論課題,有許多懸而未決的問題; 當這些問題得到解決時,在醫學上的應用將變得越來越明顯。
理論上,量子計算可能比經典計算機更類似於自然(通過模擬原子鍵合)和量子生物系統。
4. 超密集編碼
超密集編碼是使用單個糾纏量子位傳輸兩個傳統信息位的方法。 超密集的代碼可以:
- 允許用戶提前發送重建經典消息所需的一半信息,從而允許用戶以雙倍的速度進行通信,直到預傳遞的量子位用完。
- 雙向量子通道在一個方向上的容量加倍。
- 通過在高延遲通道上傳輸一半的數據來支持通過低延遲通道傳入的數據,從而將高延遲帶寬轉換為低延遲帶寬。
每一代通信都需要更多的數據傳輸。 通過超密集編碼,可以實現相當的信息增益。
結論
量子糾纏可能使我們能夠以以前難以想像的方式處理數據。 通過將量子計算與糾纏相結合,我們將能夠以更高效、更安全的方式解決需要大量數據的問題。
加上生物學和天文學的應用,量化寬鬆或許可以用來回答人類長期以來思考的問題:我們從哪裡來,這一切是如何開始的?
技術越進步,我們就會發現它的應用越多——它有著巨大的前景!
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