Πώς η Κβαντική Μηχανική Θα Αλλάξει τη Βιομηχανία Τεχνολογίας

Ο Richard Feynman είπε κάποτε, «Εάν νομίζετε ότι καταλαβαίνετε την κβαντική μηχανική, τότε δεν καταλαβαίνετε την κβαντική μηχανική». Αυτό μπορεί να είναι αλήθεια, αλλά 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. Όλα αυτά είναι αρκετά αφηρημένα, αλλά αυτό είναι καλή είδηση για μας, επειδή δεν χρειάζεται να είμαστε βραβευμένοι με Νόμπελ θεωρητικοί φυσικοί για να κατανοήσουμε τι συμβαίνει. Και τι συμβαίνει; Λοιπόν, ας το δούμε.

Θέτοντας τις βάσεις

Θα αρχίσουμε με ένα σύντομο πείραμα σκέψης. Ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger (SDGR ) θέλει να σας φανταστείτε μια γάτα σε ένα κλειστό κουτί. Μέχρι τώρα, όλα καλά. Τώρα φανταστείτε ένα φιαλίδιο που περιέχει một θανατηφόρο υλικό μέσα στο κουτί. Τι συνέβη στη γάτα; Δεν μπορούμε να το γνωρίζουμε με βεβαιότητα. Έτσι, μέχρι να παρατηρηθεί η κατάσταση, δηλαδή να 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 καθορίζει ότι, όπως και η αγαπημένη μας γάτα, ένα σωματίδιο υπάρχει σε όλες τις πιθανές καταστάσεις μέχρι τη στιγμή που μετράται. Το «παρατήρηση» του σωματιδίου καταστρέφει αμέσως τις κβαντικές ιδιότητές του, και voilà, πάλι κυβερνάται από τους κανόνες της κλασικής μηχανικής.

Τώρα, τα πράγματα είναι về να γίνουν πιο περίπλοκα, αλλά μην απογοητευτείτε — ακόμη και ο Einstein ήταν αναστατωμένος από την ιδέα. Περιγραφόμενο από τον ίδιο ως «παρανοϊκή δράση σε απόσταση», η εντροπία είναι μια σύνδεση μεταξύ ενός ζευγαριού σωματιδίων — μια φυσική αλληλεπίδραση που οδηγεί στο κοινό τους κατάσταση (ή έλλειψη αυτής, αν πάρουμε υπόψη την υπέρθεση).

Η εντροπία καθορίζει ότι μια αλλαγή στην κατάσταση ενός εντροπικού σωματιδίου προκαλεί μια άμεση, προβλέψιμη αντίδραση από το υπόλοιπο σωματίδιο. Για να το τοποθετήσουμε σε προοπτική, ας ρίξουμε δύο εντροπικά νομίσματα στον αέρα. Κατόπιν, ας παρατηρήσουμε το αποτέλεσμα. Η πρώτη πλευρά του νομίσματος έπεσε σε κεφαλή; Τότε η μέτρηση του υπολοίπου νομίσματος πρέπει να είναι στέμματα. Με άλλα λόγια, όταν παρατηρηθούν, τα εντροπικά σωματίδια ανταλλάσσουν τις μετρήσεις τους. Δεν χρειάζεται να φοβηθείτε, όμως — η εντροπία δεν είναι τόσο συχνή. 至今, τουλάχιστον.

Ο πιθανός ήρωας

«Τι είναι το σημείο όλης αυτής της γνώσης αν δεν μπορώ να τη χρησιμοποιήσω;», μπορεί να ρωτάτε. Όποιο είναι το ερώτημά σας, είναι πιθανό ότι ένας κβαντικός υπολογιστής έχει την απάντηση. Σε έναν ψηφιακό υπολογιστή, το σύστημα απαιτεί bit για να αυξήσει την επεξεργαστική του ισχύ. Έτσι, για να διπλασιάσετε την επεξεργαστική ισχύ, θα διπλασιάζατε απλώς την ποσότητα των bit — αυτό δεν είναι καθόλου παρόμοιο με τους κβαντικούς υπολογιστές.

Ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί qubit, την βασική μονάδα κβαντικής πληροφορίας, για να παρέχει επεξεργαστικές ικανότητες που δεν έχουν προηγούμενο, ακόμη και από τους πιο शकτικούς υπερυπολογιστές. Πώς; Τα σωματίδια qubit μπορούν να αντιμετωπίσουν ταυτόχρονα πολλές πιθανές εξόδους (ή καταστάσεις, για να συμφωνήσουμε με τα προηγούμενα τμήματα). Σε σύγκριση, ένας ψηφιακός υπολογιστής μπορεί να κάνει μόνο одну υπολογισμό κάθε φορά. Επιπλέον, μέσω της εντροπίας, μπορούμε να ενισχύσουμε εκθετικά την ισχύ ενός κβαντικού υπολογιστή, ιδιαίτερα όταν συγκρίνουμε αυτό με την αποτελεσματικότητα των παραδοσιακών bit σε einen ψηφιακό μηχανή. Για να οραματιστούμε την κλίμακα, σκεφτείτε την τεράστια ποσότητα επεξεργαστικής ισχύος που παρέχει κάθε qubit, και τώρα διπλασιάστε την.

Τίποτα δεν είναι τέλειο

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα — ακόμη και η ελαφρά δόνηση και η αλλαγή της θερμοκρασίας, που αναφέρονται από τους επιστήμονες ως «θόρυβος», μπορεί να προκαλέσει την αποσύνθεση των κβαντικών ιδιοτήτων και τελικά, να τις εξαφανίσει完全. Ενώ δεν μπορείτε να παρατηρήσετε αυτό σε πραγματικό χρόνο, αυτό που θα βιώσετε είναι ένα υπολογιστικό λάθος. Η αποσύνθεση των κβαντικών ιδιοτήτων είναι γνωστή ως 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 αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ειδικές ψυγεία, γνωστές ως κρυογενικές ψυγεία. Αυτές οι κρυογενικές ψυγεία είναι ψυχρότερες από τον διαστρικό χώρο, και μας επιτρέπουν να διεξάγουμε ηλεκτρικό ρεύμα με σχεδόν μηδενική αντίσταση. Αυτό είναι γνωστό ως υπερηχητική κατάσταση, και κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές εξαιρετικά αποτελεσματικούς. Ως αποτέλεσμα, ο κβαντικός μας επεξεργαστής απαιτεί μόνο một κλάσμα της ενέργειας που θα χρειαζόταν ένας ψηφιακός επεξεργαστής, παράγοντας εκθετικά περισσότερη ισχύ και σημαντικά λιγότερη θερμότητα στη διαδικασία. Σε ένα ιδανικό σενάριο, τουλάχιστον.

Ένας (νέος) κόσμος των δυνατοτήτων

Η πρόβλεψη του καιρού, η οικονομική και μοριακή μοντελοποίηση, η φυσική των σωματιδίων… οι εφαρμογές της κβαντικής υπολογιστικής είναι τόσο τεράστιες όσο και προσοδοφόρες.

Ωστόσο, μια από τις πιο γοητευτικές προοπτικές είναι ίσως η κβαντική τεχνητή νοημοσύνη. Αυτό είναι επειδή τα κβαντικά συστήματα excelling στο να υπολογίζουν τις πιθανότητες για πολλές πιθανές επιλογές — η ικανότητά τους να παρέχουν συνεχής ανατροφοδότηση σε έξυπνο λογισμικό είναι ανεπανάληπτη στην αγορά του σήμερα. Η εκτιμώμενη επίδραση είναι αμέτρητη, εκτεινόμενο σε διάφορα πεδία και βιομηχανίες — από την Τεχνητή Νοημοσύνη στην αυτοκινητοβιομηχανία μέχρι την ιατρική έρευνα. Η Lockheed Martin (LMT ), ο αμερικανικός γίγαντας της αεροδιαστημικής, ήταν γρήγορη να συνειδητοποιήσει τα οφέλη και ήδη ηγείται με το παράδειγμά της, χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή της για δοκιμές λογισμικού πιλότου. 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 του να παραγοντοποιηθούν πολύ μεγάλες πρώτες αριθμοί. Ενώ αυτό μπορεί να λειτουργήσει με τους παραδοσιακούς υπολογιστές, οι οποίοι δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην επίλυση προβλημάτων πολλαπλών παραγόντων, οι κβαντικοί υπολογιστές θα σπάσουν εύκολα αυτές τις κρυπτογράφηση χάρη στην ιδιαίτερη ικανότητά τους να υπολογίζουν πολλές εξόδους 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 αυτό, δημιουργείτε ένα κλειδί κρυπτογράφησης χρησιμοποιώντας qubit, τα οποία στη συνέχεια στέλνονται στον παραλήπτη μέσω ενός οπτικού καλωδίου. Εάν τα κωδικοποιημένα qubit είχαν παρατηρηθεί από έναν τρίτο, και εσείς και ο φίλος σας θα ειδοποιηθείτε από ένα απροσδόκητο λάθος στη λειτουργία. Ωστόσο, για να μεγιστοποιήσετε τα οφέλη της Κβαντικής Διανομής Κλειδιών, τα κλειδιά κρυπτογράφησης θα πρέπει να διατηρήσουν τις κβαντικές ιδιότητές τους σε όλες τις φορές. Εύκολο να το πεις.

Τρόφιμο για σκέψη

Δεν σταματάει εκεί. Οι πιο φωτισμένοι νου στο παγκόσμιο είναι συνεχώς προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν εントροπία ως τρόπο κβαντικής επικοινωνίας. Μέχρι τώρα, οι κινέζοι ερευνητές κατάφεραν να στείλουν με επιτυχία εντροπικά 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 εντροπικά φωτόνια που στέλνονται κάθε δευτερόλεπτο, μόνο ένα ζευγάρι επιβίωσε του ταξιδιού (ευχαριστώ, αποσύνδεση). Ένα απίστευτο κατόρθωμα, παρόλα αυτά, αυτό το πείραμα περιγράφει τον τύπο υποδομής που θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε στο μέλλον για να ασφαλίσουμε κβαντικά δίκτυα.

Ο κβαντικός αγώνας cũng είδε μια πρόσφατη πρόοδο από το QuTech, ένα ερευνητικό κέντρο στο TU Delft στην Ολλανδία — το κβαντικό σύστημα τους 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, τέτοια πρωτοποριακή έρευνα μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην τεχνολογία του αύριο. Ένα πράγμα παραμένει αμετάβλητο, ωστόσο, και αυτό είναι η γλαφυρή πραγματικότητα ότι εκείνοι που θα καταφέρουν να ελέγξουν με επιτυχία την δύναμη της κβαντικής μηχανικής θα έχουν υπεροχή над τον υπόλοιπο κόσμο. Πώς νομίζετε ότι θα τη χρησιμοποιήσουν;