Jak kvantová mechanika změní technologický průmysl

Richard Feynman jednou řekl: „Pokud si myslíte, že rozumíte kvantové mechanice, pak ji vlastně nerozumíte.“ Ačkoli to může být pravda, neznamená to, že bychom se neměli snažit ji pochopit. Koneckonců, kam bychom byli bez naší přirozené zvědavosti?

Abychom pochopili sílu neznámého, budeme rozplétat klíčové koncepty za kvantovou fyzikou – přesně dvě z nich (uf!). Je to všechno bastante abstraktní, ale to je pro nás dobré zpráva, protože nemusíte být nobelovským teoretickým fyzikem, abyste pochopili, co se děje. A co se děje? No, pojďme to zjistit.

Vytvoření základů

Začněme s krátkým myšlenkovým experimentem. Rakouský fyzik Erwin Schrödinger (SDGR ) vás chce požádat, abyste si představili kočku v uzavřené krabici. Zatím vše v pořádku. Nyní si představte, že v krabici je umístěna ampule s smrtelnou látkou. Co se stalo s kočkou? Nemůžeme to s jistotou vědět. Dokud tedy situace není pozorována, tj. dokud neotevřeme krabici, je kočka současně mrtvá i živá, nebo v více vědeckých termínech, je v superpozici stavů. Tento slavný myšlenkový experiment je znám jako Schrödingerova kočka paradox, a dokonale vysvětluje jednu z dvou hlavních jevů kvantové mechaniky.

Superpozice určuje, že podobně jako naše milovaná kočka, částice existuje ve všech možných stavech až do okamžiku, kdy je měřena. „Pozorování“ částice okamžitě ničí její kvantové vlastnosti a voilà, opět je řízena klasickou mechanikou.

Nyní se věci stanou trochu složitějšími, ale nebuďte odrazováni – ani Einstein nebyl schopen pochopit tuto myšlenku. Popisovanou jako „zlověstné působení na dálku“ Einsteinem, je entanglement spojení mezi párem částic – fyzickou interakcí, která vede ke sdílenému stavu (nebo jeho absenci, pokud se držíme superpozice).

Entanglement určuje, že změna stavu jedné částice vyvolá okamžitou, předvídatelnou reakci z druhé částice. Abychom to vysvětlili, hodíme dvě propojené mince do vzduchu. Poté pozorujeme výsledek. Přistála první mince na hlavě? Pak měření druhé mince musí být oceněno. Jinými slovy, když jsou pozorovány, propojené částice se navzájem ruší. Není třeba se bát, ale – entanglement není tak častý. Zatím ne, alespoň.

Pravděpodobný hrdina

„Co je smyslem tohoto poznání, když ho nemohu použít?“, můžete se ptát. Bez ohledu na vaši otázku, je pravděpodobné, že kvantový počítač má odpověď. V digitálním počítači systém vyžaduje bity, aby zvýšil svou výpočetní sílu. Protože aby se zdvojnásobila výpočetní síla, stačí zdvojnásobit počet bitů – to se u kvantových počítačů vůbec nepodobá.

Kvantový počítač používá qubity, základní jednotku kvantové informace, aby poskytl výpočetní schopnosti, které nejsou ani zdaleka srovnatelné s těmi nejvýkonnějšími superpočítači. Jak? Superponované qubity mohou současně řešit řadu potenciálních výsledků (nebo stavů, abychom byli konzistentní s našimi předchozími segmenty). Na rozdíl od digitálního počítače, který může řešit pouze jeden výpočet najednou, navíc můžeme prostřednictvím entanglementu exponenciálně zesílit sílu kvantového počítače, zejména ve srovnání s efektivitou tradičních bitů v digitálním stroji. Abychom si představili rozsah, zvažte obrovské množství výpočetní síly, které poskytuje každý qubit, a nyní ho zdvojnásobte.

Nic není dokonalé

Ale je zde háček – i sebemenší vibrace a změny teploty, označované vědci jako „šum“, mohou způsobit, že kvantové vlastnosti degradují a nakonec úplně zmizí. Ačkoli to nelze pozorovat v reálném čase, co budete zažívat, je výpočetní chyba. Degradace kvantových vlastností se nazývá dekoherence a je jednou z největších překážek, pokud jde o technologii, která spoléhá na kvantovou mechaniku.

V ideálním scénáři je kvantový procesor zcela izolován od svého okolí. K tomu vědci používají speciální ledničky, známé jako kryo-chladničky. Tyto kryo-chladničky jsou chladnější než mezihvězdný prostor a umožňují našemu kvantovému procesoru vést elektřinu prakticky bez odporu. To se nazývá supravodivý stav a činí kvantové počítače extrémně efektivními. V důsledku toho náš kvantový procesor vyžaduje zlomek energie, kterou by potřeboval digitální procesor, a generuje exponenciálně více energie a podstatně méně tepla.

(Nový) svět možností

Předpověď počasí, finanční a molekulární modelování, částicová fyzika… možnosti použití kvantového výpočtu jsou obrovské a slibné.

Jednou z nejzajímavějších perspektiv je možná ta kvantové umělé inteligence. To je proto, že kvantové systémy vynikají v počítání pravděpodobností pro mnoho možných voleb – jejich schopnost poskytnout nepřetržité zpětné vazby inteligentnímu softwaru je nevídaná na dnešním trhu. Odhadovaný dopad je neměřitelný, sahající napříč obory a průmysly – od umělé inteligence v automobilovém až po lékařský výzkum. Lockheed Martin (LMT ), americký letecký gigant, byl rychlý v realizaci výhod a již vede příklad se svým kvantovým počítačem, který používá pro testování autopilotního softwaru. Vezměte si poznámky.

Zásady kvantové mechaniky se také používají k řešení problémů v kybernetické bezpečnosti. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kryptografie, jeden z nejčastěji používaných metod šifrování dat, spoléhá na obtížnost faktorizace (velmi) velkých prvočísel. Ačkoli to funguje u tradičních počítačů, které nejsou zvláště efektivní při řešení multifaktorových problémů, kvantové počítače snadno rozluští tato šifrování díky své jedinečné schopnosti počítat řadu výsledků současně.

Teoreticky kvantová distribuce klíčů řeší tento problém pomocí superpozice-založeného šifrovacího systému. Představte si, že se snažíte přenést citlivé informace kamarádovi. K tomu vytvoříte šifrovací klíč pomocí qubitů, které jsou poté odeslány příjemci přes optický kabel. Pokud by byly zakódované qubity pozorovány třetí stranou, oba byste byli upozorněni na neočekávanou chybu v operaci. Avšak aby bylo možné maximalizovat výhody QKD, šifrovací klíče by musely zachovat své kvantové vlastnosti vždy. Snadněji řečeno než uděláno.

Jídlo pro myšlenky

To nekončí. Nejchytřejší myslitelé po celém světě se neustále snaží využít entanglement jako způsob kvantové komunikace. Dosud čínští výzkumníci úspěšně přenesli propojené páry fotonů prostřednictvím své Micius satelitu na rekordní vzdálenost 745 mil. To je dobrá zpráva. Špatná zpráva je, že z 6 milionů propojených fotonů vysílaných každou sekundu přežila cesta pouze jedna dvojice (díky dekoherenci). Přesto je to neuvěřitelný úspěch, který naznačuje, jaký druh infrastruktury bychom mohli v budoucnu použít k zabezpečení kvantových sítí.

Kvantová soutěž také viděla nedávný průlomový pokrok od QuTech, výzkumného centra na TU Delft v Nizozemsku – jejich kvantový systém funguje při teplotě o jeden stupeň teplejší než absolutní nula (-273 stupňů Celsia).

Zatímco tyto úspěchy mohou vypadat jako zanedbatelné pro vás a mě, pravdou je, že pokusem za pokusem, taková průlomová výzkumu nás přivádí o krok blíže k technice zítřka. Jedna věc zůstává nezměněna, a to je zjevná skutečnost, že ti, kteří se úspěšně zmocní síly kvantové mechaniky, budou mít nadvládu nad zbytkem světa. Jak si myslíte, že ji budou používat?