كيف ستغير الميكانيكا الكمية صناعة التكنولوجيا

ريتشارد فاينمان قال مرة، “إذا كنت تعتقد أنك تفهم الميكانيكا الكمية،那么 أنت لا تفهم الميكانيكا الكمية”. بينما قد يكون هذا صحيحا، إلا أنه لا يعني أننا لا نستطيع المحاولة. بعد كل شيء، إلى أين كنا سنصل بدون فضولنا الفطري؟

للفهم قوة المجهول، سنقوم بفك المفاهيم الرئيسية وراء الفيزياء الكمومية — مفاهيمتان، لتكون دقيقا (أوه!). إنها مجردة حقا، ولكن هذا خبر جيد لنا، لأنك لا تحتاج إلى أن تكون فيزيائيا نظرية حائزة على جائزة نوبل لفهم ما يحدث. وما يحدث؟ حسنًا، دعونا نكتشف.

بناء الأساس

سنبدأ بتجربة فكرية قصيرة. يريد فيزيائي النمساوي إروين شرودنغر أن تتخيل قطة في صندوق مغلق. حتى الآن، كل شيء على ما يرام. الآن تخيل زجاجة تحتوي على مادة قاتلة توضع داخل الصندوق. ما حدث للقطة؟ لا يمكننا معرفة ذلك بالتأكيد. وبالتالي، حتى يتم ملاحظة الوضع، أي عندما نفتح الصندوق، تكون القطة ميتة وحيية في نفس الوقت، أو في مصطلحات علمية أكثر دقة، تكون في حالة فوقية. هذه التجربة الفكرية الشهيرة تعرف باسم مفارقة قطة شرودنغر، وتوضح بشكل مثالي واحدة من الظاهرتين الرئيسيتين للميكانيكا الكمية.

تحدد الحالة الفوقية أن الجسيم، مثل قطتنا الحبيبة، موجود في جميع الحالات الممكنة حتى لحظة قياسه. “ملاحظة” الجسيم تدمر على الفور خصائصه الكمومية، وها هي ذي تخضع مرة أخرى لقواعد الميكانيكا الكلاسيكية.

الآن، الأمور على وشك أن تصبح أكثر تعقيدا، ولكن لا تكن محبطا — حتى أينشتاين كان مترددا في وجه هذه الفكرة. وصفها الرجل نفسه بأنها “عمل غريب على مسافة بعيدة”، والترابط هو اتصال بين زوج من الجسيمات — تفاعل فيزيائي يؤدي إلى حالة مشتركة (أو عدم وجودها، إذا ما اتبعنا الحالة الفوقية).

يحدد الترابط أن تغيير الحالة لجسيم مترابط يؤدي إلى استجابة فورية ويمكن توقعها من الجسيم المتبقي. لوضع الأمور في перспектиف، دعونا نلقى عملتين مترابطين في الهواء. بعد ذلك، دعونا نلاحظ النتيجة. هل سقطت العملة الأولى على الوجه؟那么 قياس العملة المتبقية يجب أن يكون ظهر. بعبارة أخرى، عند ملاحظتها، تعارض الجسيمات المترابطة قياساتها. لا داعي للخوف، مع ذلك — الترابط ليس شائعا. ليس بعد، على كل حال.

البطل المحتمل

“ما الفائدة من كل هذه المعرفة إذا لم أستطع استخدامها؟” قد تسأل. مهما كانت سؤالك، من المحتمل أن حاسوب كمومي لديه الجواب. في حاسوب رقمي، يتطلب النظام بتات لزيادة قدرته على المعالجة. وبالتالي، لزيادة قدرة المعالجة مرتين، يمكنك ببساطة مضاعفة عدد البتات — هذا ليس مشابها في الحواسيب الكمومية.

يستخدم الحاسوب الكمومي قubits، الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية، لتوفير قدرات معالجة لا مثيل لها حتى في أ мощ الحواسيب الفائقة. كيف؟ يمكن للقوالب المترابطة معالجة عدد من النتائج المحتملة (أو الحالات، لتكون أكثر توافقا مع مقاطعنا السابقة) في نفس الوقت. بالمقارنة، يمكن للحاسوب الرقمي معالجة حساب واحد في المرة. علاوة على ذلك، من خلال الترابط، يمكننا تعزيز قدرة الحاسوب الكمومي بشكل كبير، خاصة عند مقارنتها بكفاءة البتات التقليدية في آلة رقمية. لتخيل الحجم، ضع في اعتبارك كمية القدرة على المعالجة التي توفرها كل قوبت، ثم ضعها ضعفا.

ليس هناك شيء مثالي

لكن هناك شرط — حتى الاهتزازات والtemperature التغييرات الصغيرة، التي يسميها العلماء “الضوضاء”، يمكن أن تسبب انخفاضا في الخصائص الكمومية واختفائها في النهاية. بينما لا يمكنك ملاحظة ذلك في الوقت الفعلي، ما ستختبره هو خطأ حسابي. انخفاض الخصائص الكمومية يسمى الازدواج، وهو واحد من أكبر العوائق عندما يتعلق الأمر بتكنولوجيا تعتمد على الميكانيكا الكمية.

في سيناريو مثالي، يكون معالج كمومي معزولا تماما عن محيطه. ولذلك، يستخدم العلماء ثلاجات متخصصة، تعرف باسم الثلاجات الكريوجينية. هذه الثلاجات الكريوجينية أبرد من الفضاء بين النجوم، وتسمح لمعالجنا الكمومي بإجراء عمليات كهربائية مع مقاومة شبه صفرية. هذا يسمى حالة موصلية فائقة، ويجعل الحواسيب الكمومية كفاءة للغاية. وبالتالي، يتطلب معالجنا الكمومي جزءا صغيرا من الطاقة التي سيتطلبها معالج رقمي، مما يولد قدرة أكبر بشكل كبير ويتسبب في انخفاض كبير في الحرارة في العملية. في سيناريو مثالي، على كل حال.

عالم من الإمكانيات الجديدة

التنبؤ بالطقس، والنمذجة المالية والجزيئية، فيزياء الجسيمات… إمكانيات تطبيق الحوسبة الكمومية هائلة ومزدهرة.

ومازال أحد أكثر الآفاق إثارة للاهتمام هو ربما ذلك الخاص بالذكاء الاصطناعي الكمومي. هذا لأن الأنظمة الكمومية تتفوق في حساب الاحتمالات للعديد من الخيارات المحتملة — قدرتها على تقديم反馈 مستمر للبرامج الذكية لا مثيل لها في السوق اليوم. التأثير المقدر لا يمكن قياسه، ويمتد عبر المجالات والصناعات — من الذكاء الاصطناعي في الصناعة السيارات كل الطريق إلى البحث الطبي. كان لوكهيد مارتن، العملاق الأمريكي للفضاء، سريعا في إدراك الفوائد، ويقود بال مثال مع حاسوبه الكمومي، مستخدما إياه لاختبار برامج الطيران الآلي. خذ ملاحظات.

تستخدم مبادئ الميكانيكا الكمية أيضا لمعالجة القضايا المتعلقة بأمان المعلومات. تعتمد التشفير RSA، أحد أساليب التشفير الشائعة في العالم، على صعوبة факторية الأعداد الأولية الكبيرة. بينما قد يعمل هذا مع الحواسيب التقليدية، التي ليست فعالة بشكل خاص في حل المشاكل متعددة العوامل، سوف تكسّر الحواسيب الكمومية هذه التشفيرات بسهولة بسبب قدرتها الفريدة على حساب العديد من النتائج في نفس الوقت.

من الناحية النظرية، التوزيع الكمومي للمفاتيح يعالج هذه القضية بنظام تشفير يعتمد على الحالة الفوقية. تخيل أنك تحاول نقل معلومات حساسة إلى صديق. لفعل ذلك، تقوم بإنشاء مفتاح تشفير باستخدام قوالب كمومية، ثم ترسله إلى المستلم عبر كبل بصرية. إذا كان القوالب الكمومية المشفرة قد تمت ملاحظتها من قبل طرف ثالث، سوف تتلقى أنت وصديقك إشعارا غير متوقع بخطأ في العملية. ومع ذلك، لتحقيق الفوائد القصوى للتوزيع الكمومي للمفاتيح، سيتعين على مفاتيح التشفير الحفاظ على خصائصها الكمومية في جميع الأوقات. الأسهل قيل من فعله.

غذاء للتفكير

لا يتوقف الأمر هنا. تعمل ألمع الأعقل حول العالم باستمرار على الاستفادة من الترابط كمodes اتصال كمومي. حتى الآن، تمكن الباحثون الصينيون من إرسال أزواج من الفوتونات المترابطة بنجاح عبر قمرهم الموجود على مسافة قياسية تبلغ 745 ميل. هذه هي الأخبار الجيدة. والأخبار السيئة هي أن، من بين 6 ملايين فوتون مترابط يتم إرسالها كل ثانية، نجت فقط زوجة واحدة من الرحلة (شكرا، الازدواج). إنجاز رائع على أي حال، هذا التجربة يحدد نوع البنية التي قد نستخدمها في المستقبل لتأمين الشبكات الكمومية.

شهد السباق الكمومي اختراقا حديثا من قسم أبحاث QuTech في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا — يعمل نظامهم الكمومي عند درجة حرارة أعلى بدرجة واحدة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية).

بينما قد تظهر هذه الإنجازات غير مهمة لك وللي، الحقيقة هي أن، محاولة بعد محاولة، هذه الأبحاث الرائدة تجعلنا خطوة واحدة أقرب إلى تكنولوجيا الغد. شيء واحد يبقى غير متغير، ومع ذلك، وهو حقيقة أن أولئك الذين ينجحون في استغلال قوة الميكانيكا الكمية سيكونون أصحاب السيادة على العالم. كيف تعتقد أنهم سوف يستخدمونها؟