Πώς η Κβαντική Μηχανική θα Αλλάξει την Τεχνολογική Βιομηχανία

Ο Richard Feynman είπε κάποτε, «Εάν νομίζετε ότι κατανοείτε την κβαντική μηχανική, τότε δεν την κατανοείτε». Ενώ αυτό μπορεί να είναι αλήθεια, δεν σημαίνει ότι δεν μπορούμε να προσπαθήσουμε. Μετά όλα, πού θα ήμασταν χωρίς την εγγενή περιέργειά μας;

Για να κατανοήσουμε τη δύναμη του άγνωστου, θα ξεμπερδέψουμε με τις βασικές έννοιες πίσω από την κβαντική φυσική — δύο από αυτές, για να είμαστε ακριβείς (φευ!). Όλα είναι αρκετά αφηρημένα, στην πραγματικότητα, αλλά αυτή είναι μια καλή είδηση για εμάς, επειδή δεν χρειάζεται να είσαι βραβευμένος με Νόμπελ θεωρητικός φυσικός για να κατανοήσεις τι συμβαίνει. Και τι συμβαίνει; Λάβετε, ας το δούμε.

Βάζοντας τις βάσεις

Θα ξεκινήσουμε με ένα σύντομο πείραμα σκέψης. Ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger σας ζητά να φανταστείτε μια γάτα σε ένα κλειστό κουτί. Μέχρι τώρα, όλα καλά. Τώρα φανταστείτε ένα φιαλίδιο που περιέχει một θανατηφόρο υλικό τοποθετημένο μέσα στο κουτί. Τι συνέβη στη γάτα; Δεν μπορούμε να το γνωρίζουμε με βεβαιότητα. Έτσι, μέχρι τη στιγμή που η κατάσταση παρατηρηθεί, δηλαδή ανοίξουμε το κουτί, η γάτα είναι και νεκρή και ζωντανή, ή με πιο επιστημονικούς όρους, βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων. Αυτό το διάσημο πείραμα σκέψης είναι γνωστό ως παράδοξο της γάτας του Schrödinger, και εξηγεί τέλεια μια από τις δύο основικές φαινόμενα της κβαντικής μηχανικής.

Η υπέρθεση διευκρινίζει ότι, όπως και η αγαπημένη μας γάτα, ένα σωματίδιο υπάρχει σε όλες τις πιθανές καταστάσεις μέχρι τη στιγμή που μετράται. Η «παρατήρηση» του σωματιδίου καταστρέφει αμέσως τις κβαντικές ιδιότητές του, και βόλεα, είναι και πάλι κυβερνάται από τους κανόνες της κλασικής μηχανικής.

Τώρα, τα πράγματα είναι πρόθυμα να γίνουν πιο δύσκολα, αλλά μην αποθαρρύνεστε — ακόμη και ο Einstein ήταν αναστατωμένος από την ιδέα. Περιγραφόμενο από τον ίδιο τον άνθρωπο ως «παράξενος μηχανισμός σε απόσταση», η εγκάρδια συνάφεια είναι μια σύνδεση μεταξύ ενός ζευγαριού σωματιδίων — μια φυσική αλληλεπίδραση που οδηγεί στο κοινό τους κατάσταση (ή την έλλειψη αυτής, αν πάρουμε την υπέρθεση).

Η εγκάρδια συνάφεια διευκρινίζει ότι μια αλλαγή στην κατάσταση ενός εγκαρδιωμένου σωματιδίου προκαλεί μια αμέσως προβλέψιμη αντίδραση από το υπόλοιπο σωματίδιο. Για να τοποθετήσουμε τα πράγματα σε προοπτική, ας ρίξουμε δύο εγκαρдиωμένα νομίσματα στον αέρα. Στη συνέχεια, ας παρατηρήσουμε το αποτέλεσμα. Η πρώτη πτώση του νομίσματος στην κεφαλή; Τότε η μέτρηση του υπολοίπου νομίσματος πρέπει να είναι στενά. Με άλλα λόγια, όταν παρατηρηθούν, τα εγκαρδιωμένα σωματίδια ανταλλάσσουν τις μετρήσεις τους. Δεν χρειάζεται να φοβηθείτε, όμως — η εγκάρδια συνάφεια δεν είναι τόσο συχνή. Όχι ακόμη, τουλάχιστον.

Ο πιθανός ήρωας

«Τι είναι το σημείο όλων αυτών των γνώσεων αν δεν μπορώ να τις χρησιμοποιήσω;», μπορεί να ρωτάτε. Όποιο και αν είναι το ερώτημά σας, είναι πιθανό ότι ένας κβαντικός υπολογιστής έχει την απάντηση. Σε έναν ψηφιακό υπολογιστή, το σύστημα απαιτεί bits για να αυξήσει την επεξεργαστική του δύναμη. Έτσι, για να διπλασιάσετε την επεξεργαστική δύναμη, θα διπλασιάζατε απλώς την ποσότητα των bits — αυτό δεν είναι καθόλου παρόμοιο με τους κβαντικούς υπολογιστές.

Ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί qubits, τη βασική μονάδα κβαντικής πληροφορίας, για να παρέχει επεξεργαστικές δυνατότητες που δεν έχουν προηγουμένως ούτε οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές. Πώς; Τα σωματίδια qubits μπορούν να αντιμετωπίσουν ταυτόχρονα μια σειρά από πιθανές εξόδους (ή καταστάσεις, για να είμαστε πιο συνεπείς με τα προηγούμενα τμήματα). Σε σύγκριση, ένας ψηφιακός υπολογιστής μπορεί να κάνει μόνο μία επεξεργασία κάθε φορά. Επιπλέον, μέσω της εγκαρδίας συνάφειας, μπορούμε να αυξήσουμε εκпонεντιально την δύναμη ενός κβαντικού υπολογιστή, ιδιαίτερα όταν τη συγκρίνουμε με την αποτελεσματικότητα των παραδοσιακών bits σε μια ψηφιακή μηχανή. Για να οραματιστούμε την κλίμακα, σκεφτείτε την τεράστια ποσότητα επεξεργαστικής δύναμης που παρέχει κάθε qubit, και τώρα διπλασιάστε τη.

Τίποτα δεν είναι τέλειο

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα — ακόμη και οι μικρότερες δονήσεις και αλλαγές θερμοκρασίας, που ονομάζονται από τους επιστήμονες «θόρυβος», μπορούν να προκαλέσουν την αποσύνθεση των κβαντικών ιδιοτήτων και τελικά, να τις εξαφανίσουν εντελώς. Ενώ δεν μπορείτε να το παρατηρήσετε σε πραγματικό χρόνο, τι θα βιώσετε είναι ένα σφάλμα επεξεργασίας. Η αποσύνθεση των κβαντικών ιδιοτήτων ονομάζεται αποσύνδεση, και είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια όταν πρόκειται για τεχνολογία που βασίζεται στην κβαντική μηχανική.

Σε ένα ιδανικό σενάριο, ένας κβαντικός επεξεργαστής είναι πλήρως απομονωμένος από το περιβάλλον του. Για να το κάνουμε, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ειδικές ψυγεία, γνωστές ως κρυογενικές ψυγεία. Αυτές οι κρυογενικές ψυγεία είναι ψυχρότερες από το διαστρικό χώρο, και μας επιτρέπουν τον κβαντικό επεξεργαστή να αγκαλιάσει την ηλεκτρική ενέργεια με σχεδόν μηδενική αντίσταση. Αυτό ονομάζεται υπερηχητική κατάσταση, και κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές εξαιρετικά αποτελεσματικούς. Ως αποτέλεσμα, ο κβαντικός επεξεργαστής μας απαιτεί μόνο ένα κλάσμα της ενέργειας που θα χρειαζόταν ένας ψηφιακός επεξεργαστής, παράγοντας εκпонεντιικά περισσότερη δύναμη και σημαντικά λιγότερη θερμότητα στη διαδικασία. Σε ένα ιδανικό σενάριο, τουλάχιστον.

Ένας (νέος) κόσμος δυνατοτήτων

Προβλέψεις καιρού, οικονομικά και μοριακά μοντέλα, σωματιδιακή φυσική… οι εφαρμογές της κβαντικής επεξεργασίας είναι τόσο τεράστιες όσο και ευημερούσες.

Ωστόσο, μια από τις πιο γοητευτικές προοπτικές είναι ίσως αυτή της κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης. Αυτό είναι επειδή τα κβαντικά συστήματα excelling στο να υπολογίζουν τις πιθανότητες για πολλές πιθανές επιλογές — η ικανότητά τους να παρέχουν συνεχής ανατροφοδότηση σε έξυπφο λογισμικό είναι ανεπανάληπτη στην αγορά σήμερα. Η εκτιμώμενη επίδραση είναι αμετρήσιμη, εκτείνοντας σε πεδία και βιομηχανίες — από τεχνητή νοημοσύνη στην αυτοκινητοβιομηχανία μέχρι ιατρική έρευνα. Η Lockheed Martin, ο αμερικανικός κολοσσός της αεροδιαστημικής, ήταν γρήγορη να κατανοήσει τα οφέλη και να οδηγήσει με το παράδειγμα με τον κβαντικό υπολογιστή της, χρησιμοποιώντας τον για δοκιμές λογισμικού αυτοπιλότου. Πάρτε σημειώσεις.

Οι αρχές της κβαντικής μηχανικής χρησιμοποιούνται επίσης για να αντιμετωπίσουν προβλήματα στην κυβερνοασφάλεια. Η κρυπτογράφηση RSA (Rivest-Shamir-Adleman), μια από τις πιο δημοφιλείς μεθόδους κρυπτογράφησης δεδομένων, βασίζεται στη δυσκολία της παραγοντοποίησης (πολύ) μεγάλων πρώτων αριθμών. Ενώ αυτό μπορεί να λειτουργήσει με παραδοσιακούς υπολογιστές, οι οποίοι δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην επίλυση προβλημάτων πολλαπλών παραγόντων, οι κβαντικοί υπολογιστές θα σπάσουν εύκολα αυτές τις κρυπτογραφίες χάρη στην μοναδική τους ικανότητα να υπολογίζουν πολλαπλά αποτελέσματα ταυτόχρονα.

Θεωρητικά, η κβαντική διανομή κλειδιών αντιμετωπίζει αυτό με ένα σύστημα κρυπτογράφησης που βασίζεται στην υπέρθεση. Φανταστείτε ότι προσπαθείτε να μεταφέρετε ευαίσθητες πληροφορίες σε einen φίλο. Για να το κάνετε, δημιουργείτε ένα κλειδί κρυπτογράφησης χρησιμοποιώντας qubits, τα οποία στη συνέχεια στέλνονται στον παραλήπτη μέσω ενός οπτικού καλωδίου. Εάν τα κωδικοποιημένα qubits είχαν παρατηρηθεί από έναν τρίτο, και εσείς και ο φίλος σας θα ειδοποιηθείτε από ένα απροσδόκητο σφάλμα στην λειτουργία. Ωστόσο, για να μεγιστοποιήσετε τα οφέλη της QKD, τα κλειδιά κρυπτογράφησης θα πρέπει να διατηρήσουν τις κβαντικές ιδιότητές τους σε όλες τις στιγμές. Εύκολο να το πεις.

Τρόφιμο για σκέψη

Δεν σταματάει εκεί. Οι πιο φωτισμένες μυαλά σε όλο τον κόσμο προσπαθούν συνεχώς να χρησιμοποιήσουν εγκάρδια συνάφεια ως一种 τρόπο κβαντικής επικοινωνίας. Μέχρι τώρα, οι κινέζοι ερευνητές κατάφεραν να μεταφέρουν με επιτυχία εγκαρдиωμένα ζευγάρια φωτονίων μέσω του δορυφόρου Micius σε μια ρεκόρ απόσταση 745 μιλίων. Αυτή είναι η καλή είδηση. Η κακή είδηση είναι ότι, από τα 6 εκατομμύρια εγκαρδιωμένα φωτόνια που μεταφέρονται κάθε δευτερόλεπτο, μόνο ένα ζευγάρι επιβίωσε του ταξιδιού (ευχαριστώ, αποσύνδεση). Ένα απίστευτο κατόρθωμα, αυτό το πείραμα περιγράφει τον τύπο υποδομής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον για να ασφαλίσουμε κβαντικά δίκτυα.

Ο κβαντικός αγώνας cũng είδε πρόσφατα ένα σημαντικό βήμα από το QuTech, ένα ερευνητικό κέντρο στο TU Delft στη Ολλανδία — το κβαντικό σύστημα λειτουργεί σε μια θερμοκρασία πάνω από ένα βαθμό θερμότερο από το απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου).

Ενώ αυτά τα επιτεύγματα μπορεί να φαίνονται ασήμαντα σε εσάς και εμένα, η αλήθεια είναι ότι, προσπάθεια μετά από προσπάθεια, τέτοιες πρωτοποριακές έρευνες μας φέρνουν ένα βήμα πιο κοντά στην τεχνολογία του αύριο. Ένα πράγμα παραμένει αμετάβλητο, ωστόσο, και αυτό είναι η γλαφυρή πραγματικότητα ότι αυτοί που θα καταφέρουν να εκμεταλλευτούν με επιτυχία την δύναμη της κβαντικής μηχανικής θα έχουν υπεροχή έναντι του υπόλοιπου κόσμου. Πώς νομίζετε ότι θα τη χρησιμοποιήσουν;