Hvordan kvantemekanik vil ændre tech-industrien

Richard Feynman sagde engang, “Hvis du tror, du forstår kvantemekanik, så forstår du ikke kvantemekanik.” Det betyder dog ikke, at vi ikke kan prøve. Hvad ville vi være uden vores indbyggede nysgerrighed?

For at forstå kraften i det ukendte, skal vi udrede de centrale begreber bag kvantefysik — to af dem, for at være præcis (pust!). Det er ret abstrakt, men det er godt nyt for os, fordi du ikke behøver at være en nobelprisvindende teoretisk fysiker for at forstå, hvad der sker. Og hvad sker der? Nu, lad os se.

At lægge grundlaget

Vi starter med et kort tankeeksperiment. Den østrigske fysiker Erwin Schrödinger (SDGR ) beder dig om at forestille dig en kat i en lukket kasse. Så langt, så godt. Nu forestiller du dig en ampul med en dødelig substans, der er placeret inde i kassen. Hvad skete der med katten? Vi kan ikke vide det med sikkerhed. Før situationen observeres, dvs. vi åbner kassen, er katten både død og levende, eller mere videnskabeligt, den er i en superposition af tilstande. Dette berømte tankeeksperiment kaldes Schrödingers kat-paradoks, og det forklarer perfekt en af de to hovedfænomener i kvantemekanik.

Superposition dikterer, at en partikel, ligesom vores elskede kat, eksisterer i alle mulige tilstande, indtil den måles. “Observation” af partiklen ødelægger straks dens kvantumegenskaber, og voilà, den er igen underlagt klassisk mekaniks love.

Nu bliver tingene mere komplicerede, men lad dig ikke afskrække — selv Einstein blev kastet tilbage af idéen. Beskrevet af manden selv som “spooky action at a distance”, er kvantefysisk sammenhæng en forbindelse mellem et par partikler — en fysisk interaktion, der resulterer i deres fælles tilstand (eller manglen på samme, hvis vi følger superposition).

Kvantefysisk sammenhæng dikterer, at en ændring i tilstanden af en sammenhængende partikel udløser en øjeblikkelig, forudsigelig reaktion fra den resterende partikel. For at sætte tingene i perspektiv, lad os kaste to sammenhængende mønter op i luften. Herefter observerer vi resultatet. Landede den første mønt på hovedet? Så skal målingen af den resterende mønt være bagsiden. Med andre ord, når observeret, modsætter sammenhængende partikler hinandens målinger. Ingen grund til at være bange, dog — kvantefysisk sammenhæng er ikke så almindelig. Endnu ikke, i hvert fald.

Den sandsynlige helt

“Hvad er pointen med al denne viden, hvis jeg ikke kan bruge den?”, må du spørge. Uanset hvilket spørgsmål du har, er det sandsynligt, at en kvantecomputer har svaret. I en digital computer kræver systemet bits for at øge sin proceskraft. Derfor, for at fordoble proceskraften, ville du blot fordoble antallet af bits — dette er ikke det samme som i kvantecomputere.

En kvantecomputer bruger qubits, den grundlæggende enhed for kvantefysisk information, til at give procesmuligheder, der ikke kan matche selv verdens mest kraftfulde supercomputere. Hvordan? Superpositionerede qubits kan samtidig løse en række mulige resultater (eller tilstande, for at være mere konsekvent med vores tidligere afsnit). I sammenligning kan en digital computer kun løse én beregning ad gangen. Derudover kan vi, gennem kvantefysisk sammenhæng, eksponentielt forstærke kvantecomputernes kraft, især når vi sammenligner dette med effektiviteten af traditionelle bits i en digital maskine. For at visualisere skalaen, overvej den enorme proceskraft, hver qubit giver, og fordob den herefter.

Intet er perfekt

Men der er en hage — selv de mindste vibrationer og temperaturændringer, som videnskabsmændene kalder “støj”, kan få kvantumegenskaber til at forsvinde og til sidst forsvinde helt. Selv om du ikke kan observere dette i realtid, vil du opleve en beregningsfejl. Forfaldet af kvantumegenskaber kaldes dekoherens, og det er en af de største hindringer, når det kommer til teknologi, der afhænger af kvantemekanik.

I en ideel situation er en kvanteprocessor fuldstændigt isoleret fra sin omgivelse. For at opnå dette bruger videnskabsmændene specialiserede køleapparater, kendt som kryogeniske køleapparater. Disse kryogeniske køleapparater er koldere end interstellart rum, og de giver vores kvanteprocessor mulighed for at lede elektricitet med næsten ingen modstand. Dette kaldes en superledende tilstand, og det gør kvantecomputere ekstremt effektive. Som resultat kræver vores kvanteprocessor kun en brøkdel af den energi, en digital processor ville bruge, og den genererer eksponentielt mere kraft og betydeligt mindre varme undervejs. I en ideel situation, dog.

En (ny) verden af muligheder

Vejrforudsigelser, finansielle og molekylære modelleringer, partikelfysik… mulighederne for kvantecomputering er både enorme og lovende.

En af de mest forlokkende muligheder er måske kvantekunstig intelligens. Dette skyldes, at kvantesystemer excellerer i at beregne sandsynligheder for mange mulige valg — deres evne til at give kontinuerlig feedback til intelligent software er ubesvaret på i dag marked. Den estimerede virkning er umådelig, og spænder over felter og industrier — fra kunstig intelligens i bilindustrien til medicinsk forskning. Lockheed Martin (LMT ), den amerikanske luft- og rumfartsjætte, var hurtig til at realisere fordelene og fører allerede an med sin kvantecomputer, som bruges til autopilot-softwaretest. Tag noter.

Kvantemekanikens principper bruges også til at løse problemer i cybersikkerhed. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kryptering, en af verdens mest brugte metoder til datakryptering, afhænger af vanskeligheden ved at faktorisere (meget) store primtal. Selv om dette kan fungere med traditionelle computere, som ikke er særligt effektive til at løse multifaktorproblemer, vil kvantecomputere let knække disse krypteringer takket være deres unikke evne til at beregne mange resultater samtidig.

I teorien tager kvantnøglefordeling sig af dette med et superposition-baseret krypteringssystem. Forestil dig, at du forsøger at sende følsomme oplysninger til en ven. For at gøre dette opretter du en krypteringsnøgle ved hjælp af qubits, som herefter sendes til modtageren over en optisk kabel. Hvis de kodede qubits var blevet observeret af en tredje part, ville både du og din ven have fået besked om en uventet fejl i operationen. For at maksimere fordelene ved kvantnøglefordeling skulle krypteringsnøglerne dog altid opretholde deres kvantumegenskaber. Lettere sagt end gjort.

Mad til eftertanke

Det stopper ikke her. De mest begavede hjerner rundt om i verden prøver konstant at udnytte sammenhæng som en form for kvantekommunikation. Indtil nu har kinesiske forskere kunnet sende sammenhængende par af fotoner gennem deres Micius-satellit over en rekordlang afstand på 745 miles. Det er det gode nyt. Det dårlige nyt er, at af de 6 millioner sammenhængende fotoner, der sendes hver sekund, overlevede kun ét par turen (tak, dekoherens). En utrolig bedrift alligevel, dette eksperiment tegner konturen af den slags infrastruktur, vi måske vil bruge i fremtiden til at sikre kvantenetværk.

Kvante-løbet så også en nylig gennembrud fra QuTech, et forskningscenter på TU Delft i Holland — deres kvantesystem opererer ved en temperatur over en grad varmere end den absolutte nulpunkt (-273 grader Celsius).

Medens disse bedrifter måske synes ubetydelige for dig og mig, er sandheden, at forsøg efter forsøg bringer os et skridt nærmere morgendagens teknologi. En ting forbliver dog uændret, og det er den glærende realitet, at de, der lykkes i at udnytte kvantemekanikken, vil have overherredømmet over resten af verden. Hvordan tror du, de vil bruge det?