Hvordan kvantemekanikken vil ændre tech-industrien

Richard Feynman sagde engang: “Hvis du tror, du forstår kvantemekanik, så forstår du ikke kvantemekanik.” Det kan måske være sandt, men det betyder ikke, at vi ikke kan prøve. Til syvende og sidst, hvor 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 alt sammen ret abstrakt, men det er gode nyheder 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 ønsker, at du skal 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. Derfor, indtil 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 kvantemekanikken.

Superposition dikterer, at en partikel, ligesom vores elskede kat, eksisterer i alle mulige tilstande, indtil den måles. “At observere” partiklen ødelægger straks dens kvantum-egenskaber, og voilà, den er igen underlagt klassisk mekaniks regler.

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

Entanglement dikterer, at en ændring i tilstanden af en entangled partikel udløser en øjeblikkelig, forudsigelig reaktion fra den tilbageværende partikel. For at sætte tingene i perspektiv, lad os kaste to entangled mønter op i luften. Herefter observerer vi resultatet. Landede den første mønt på hovedet? Så skal målingen af den tilbageværende mønt være bagside. Med andre ord, når observeret, modsætter entangled partikler hinandens målinger. Ingen grund til at være bange, dog — entanglement er ikke så almindeligt. 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 dit spørgsmål, er chancerne, at en kvantecomputer har svaret. I en digital computer kræver systemet bits for at øge sin processorkraft. Derfor, for at fordoble processorkraften, ville du blot fordoble antallet af bits — dette er ikke overhovedet lignende i kvantecomputere.

En kvantecomputer bruger qubits, den grundlæggende enhed for kvantinformation, til at give processorkapaciteter, der ikke kan matche selv verdens mest kraftfulde supercomputere. Hvordan? Superposede qubits kan samtidig tackle en række mulige resultater (eller tilstande, for at være mere konsekvent med vores tidligere segmenter). I sammenligning kan en digital computer kun udregne en beregning ad gangen. Desuden kan vi gennem entanglement 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 mængde processorkraft, hver qubit giver, og fordob den herefter.

Intet er perfekt

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

I et idealt scenario er en kvanteprocessor fuldstændig isoleret fra sin omgivelse. For at gøre dette bruger videnskabsfolk specialiserede køleskabe, kendt som kryogeniske køleskabe. Disse kryogeniske køleskabe 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 en brøkdel af den energi, en digital processor ville bruge, og den genererer eksponentielt mere kraft og betydeligt mindre varme undervejs. I et idealt scenario, dog.

En (ny) verden af muligheder

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

Alligevel er en af de mest forlokkende udsigter måske kvantekunstig intelligens. Dette skyldes, at kvantesystemer er særligt gode til at beregne sandsynligheder for mange mulige valg — deres evne til at give kontinuerlig feedback til intelligent software er ubestridt på i dag markedet. Den estimerede effekt er umådelig, og den spænder over felter og industrier — fra kunstig intelligens i bilindustrien til medicinsk forskning. Lockheed Martin, den amerikanske luftfarts-gigant, var hurtig til at indse fordelene og fører allerede an med sin kvantecomputer, som bruges til autopilot-software-test. Tag noter.

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

Teoretisk kan kvantnøglefordeling løse dette problem med et superposition-baseret krypteringssystem. Forestil dig, at du skal 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 QKD skal krypteringsnøglerne dog hele tiden opretholde deres kvantum-egenskaber. Nemt sagt end gjort.

Mad til eftertanke

Det stopper ikke her. De kløgtigste hjerner over hele verden prøver konstant at udnytte entanglement som en måde at kommunikere kvantum. Indtil videre har kinesiske forskere kunnet sende entanglede par af fotoner gennem deres Micius-satellit over en rekordlængde på 745 miles. Det er de gode nyheder. De dårlige nyheder er, at af de 6 millioner entanglede fotoner, der sendes hver sekund, overlevede kun et par turen (tak, decoherence). En ufattelig bedrift alligevel, dette eksperiment tegner konturerne af den slags infrastruktur, vi måske kan bruge i fremtiden til at sikre kvantum-netværk.

Kvante-løbet så også for nylig en 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).

Selvom disse præstationer kan synes ubetydelige for dig og mig, er sandheden, at sådanne banebrydende forskninger bringer os et skridt nærmere morgendagens teknologi. En ting forbliver dog uændret, og det er den glærende realitet, at de, der kan udnytte kvantemekanikken, vil have overherredømmet over resten af verden. Hvordan tror du, de vil bruge det?