Използване на силата на квантовата електродинамика.
Електромагнетизмът и квантовите изчисления са два фундаментални стълба на съвременната физика и технология. Електромагнетизмът, описан от уравненията на Максуел, управлява поведението на електрическите и магнитните полета, докато квантовите изчисления използват принципите на квантовата механика, за да революционизират обработката на информация. Сливането на тези две области има потенциала да отключи безпрецедентна изчислителна мощ и да позволи нови приложения в различни области.
В основата на електромагнетизма лежи взаимодействието между електрическите заряди и електромагнитните полета. Уравненията на Максуел елегантно описват поведението на тези полета, обхващайки явления като разпространението на електромагнитни вълни, генерирането на магнитни полета от електрически токове и индукцията на електрически полета чрез промяна на магнитните полета. Тази богата теоретична рамка подхранва технологичния напредък, водещ до изобретения като електрически енергийни системи, радиокомуникации и модерна електроника.
От друга страна, квантовите изчисления използват уникалните свойства на квантовите системи, като суперпозиция и заплитане, за извършване на изчисления с изключителна ефективност. Кубитите, квантовите двойници на класическите битове, могат да съществуват в множество състояния едновременно, което позволява паралелна обработка и потенциал за решаване на сложни проблеми експоненциално по-бързо от класическите компютри. Квантовите алгоритми, като алгоритъма на Шор за разлагане на прости фактори и алгоритъма на Гроувър за търсене в база данни, демонстрират огромните изчислителни предимства, които предлагат квантовите системи.
Бракът между електромагнетизма и квантовите изчисления възниква от областта на квантовата електродинамика (QED), която е квантовата теория на електромагнитните взаимодействия. QED съчетава квантовата механика с уравненията на Максуел, осигурявайки рамка за разбиране и изчисляване на поведението на светлината и материята на квантово ниво. QED е изключително успешна в обяснението на явления като излъчването и абсорбцията на фотони, поведението на електроните в електромагнитни полета и развитието на квантовата оптика.
Принципите на QED са намерили приложения в областта на квантовите изчисления, където допринасят за внедряването и контрола на кубитите. Например, свръхпроводящите кубити, един от водещите кандидати за практични квантови компютри, използват взаимодействието между микровълнови фотони и електрически вериги. Чрез проектирането на свойствата на тези вериги, изследователите могат да манипулират и измерват квантовите състояния на кубитите.
Освен това електромагнитните полета играят решаваща роля в квантовата комуникация, която е от съществено значение за сигурния обмен на квантова информация. Фотоните, като носители на електромагнитни вълни, служат като носители на информация в протоколи за квантова комуникация като квантово разпределение на ключове (QKD). Принципите на електромагнетизма позволяват предаването, манипулирането и откриването на тези фотони, осигурявайки сигурен обмен на криптографски ключове.
Сливането на електромагнетизма и квантовите изчисления, движено от принципите на квантовата електродинамика, крие огромен потенциал за напредъка на технологиите и научното разбиране. Използвайки фундаменталните свойства на електромагнетизма и квантовата механика, изследователите проправят пътя за мощни квантови компютри и защитени квантови комуникационни системи.
Библиография:
- Фейнман, Р. П. (1985). Квантова електродинамика. Westview Press.
- Nielsen, M.A., & Chuang, I.L. (2010). Квантово изчисление и квантова информация. Cambridge University Press.
- Preskill, J. (2018). Квантово изчисление в ерата на NISQ и след това. Quantum, 2, 79.
- Rieffel, E. G. & Polak, W. H. (2011). Квантово изчисление: Внимателно въведение. MIT Press.
- Wallraff, A., Schuster, DI, Blais, A., Frunzio, L., Huang, R.-S., Majer, J., … & Girvin, SM (2004). Силно свързване на един фотон към свръхпроводящ кубит с помощта на квантовата електродинамика на веригата. Природа, 431 (7005), 162–167.
- Yao, N.Y., et al. (2020 г.). Мащабируемо силициево квантово изчисление с електрическо отчитане. Природа, 580 (7803), 350–354.
