Kuinka kvanttimekaniikka muuttaa teknologia-alaa

Richard Feynman sanoi aikoinaan, “Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä sitä.” Vaikka tämä saattaa pitää paikkansa, se ei tarkoita, ettemme voisi yrittää. Kaiken kaikkiaan, missä olisimme ilman luonnollista uteliaisuuttamme?

Ymmärtääksemme tuntemattoman voiman, aloitamme selvittämällä kvanttifysiikan avainkäsitteet — kaksi niistä, tarkalleen ottaen (hyvä). Se on aika abstraktia, mutta se on hyviä uutisia meille, koska sinun ei tarvitse olla nobelpalkittu teoreettinen fyysikko ymmärtääksesi, mitä tapahtuu. Mitä tapahtuu? No, selvitämme sen.

Perustan muodostaminen

Aloitamme lyhyellä ajatuskokeella. Itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger haluaa, että kuvittelet kissan suljetussa laatikossa. Tähän asti, kaikki hyvin. Nyt kuvittele, että myrkyllistä ainetta sisältävä pullo on asetettu laatikkoon. Mitä kissalle tapahtui? Emme voi tietää varmasti. Näin ollen, kunnes tilanne havaitaan, eli avaat laatikon, kissa on sekä elossa että kuollut, tai tieteellisemmin sanottuna, se on superposition-tilassa. Tämä kuuluisa ajatuskoe on tunnettu Schrödingerin kissa -paradoksina, ja se selittää yhden kvanttimekaniikan kahdesta pääilmiöstä.

Superpositio määrää, että hiukkaset ovat kaikissa mahdollisissa tiloissa, kunnes ne mitataan. “Havainnointi” hiukkasta tuhoaa välittömästi sen kvanttiominaisuudet, ja voilà, se noudattaa jälleen klassisen mekaniikan sääntöjä.

Nyt asiat ovat tulossa monimutkaisemmiksi, mutta älä pelästy. Jopa Einstein oli hämmästynyt ajatuksesta. Kuvaillen sitä itse “kummallisena toimintana etäisyydellä”, sidonta on yhteys hiukkasparin välillä — fyysinen vuorovaikutus, joka johtaa yhteiseen tilaan (tai sen puutteeseen, jos noudatamme superpositiota).

Sidonta määrää, että toisen sidotun hiukkasen tilan muutos laukaisee välittömän, ennustettavissa olevan vastauksen jäljellä olevasta hiukkasesta. Esimerkiksi heittäessäsi kaksi sidottua kolikkoa ilmassa. Tarkkaile sitten tulosta. Pudottuiko ensimmäinen kolikko päälle? Silloin toisen kolikon mitaus on välttämättä klaava. Toisin sanoen, kun havaitaan, sidotut hiukkaset vastaavat toistensa mittauksia. Ei tarvitse pelätä, kuitenkaan — sidonta ei ole kovin yleinen. Vielä ei, joka tapauksessa.

Todennäköinen sankari

”Mikä on kaiken tämän tiedon pointti, jos en voi sitä käyttää?” voit kysyä. Mikä tahansa kysymyksesi on, on hyvin todennäköistä, että kvanttitietokone vastaa siihen. Digitaalisessa tietokoneessa järjestelmä vaatii bittejä lisätäkseen prosessointikapasiteettiaan. Näin ollen, kaksinkertaistaaksesi prosessointikapasiteetin, sinun tarvitsee vain kaksinkertaistaa bittejä — tämä ei ole lainkaan samanlaista kuin kvanttietokoneissa.

Kvanttitietokone käyttää kvantti-informaation perusyksikköä, kvantti-bittien (qubit) tarjoamaa prosessointikapasiteettia, joka on vertaamaton jopa maailman tehokkaimpiin supertietokoneisiin. Miten? Superposiitio-qubitit voivat samanaikaisesti käsitellä useita mahdollisia tuloksia (tai tiloja, jotta olemme yhdenmukaisia aiempien osiemme kanssa). Vertailukohtana digitaalinen tietokone voi suorittaa vain yhden laskelman kerrallaan. Lisäksi sidontaa voidaan käyttää eksponentiaalisesti lisäämään kvanttietokoneen tehokkuutta, erityisesti verrattaessa sitä perinteisten bittien tehokkuuteen digitaalisessa koneessa. Kuvittele massiivinen prosessointikapasiteetti, jonka jokainen qubit tarjoaa, ja kaksinkertaista se.

Ei mitään täydellistä

Mutta onneksi on catch — jopa pienimmät tärinät ja lämpötilan muutokset, joita tutkijat kutsuvat “meluksi”, voivat aiheuttaa kvantti-ominaisuuksien häviämisen ja lopulta, niiden katoamisen kokonaan. Vaikka et voi havaita sitä reaaliajassa, mitä sinä kokevat, on laskennallinen virhe. Kvantti-ominaisuuksien häviäminen on tunnettu dekoherenssina, ja se on yksi suurimmista esteistä kvanttimekaniikkaan perustuvassa teknologiassa.

Ideaalisessa tilanteessa kvanttiprosessori on täysin eristetty ympäristöstään. Tämä voidaan tehdä erikoistuneilla jääkaapeilla, joita kutsutaan kryogenisiksi jääkaapeiksi. Nämä kryogeniset jääkaapit ovat kylmempää kuin tähtiavaruus, ja ne mahdollistavat kvanttiprosessorillemme sähkön johtamisen lähes kitkaa. Tämä on tunnettu suprajohtavuuden tilana, ja se tekee kvanttietokoneista erittäin tehokkaita. Tuloksena kvanttiprosessorimme vaatii vain murto-osan siitä energiasta, jonka digitaalinen prosessori vaatisi, ja se tuottaa eksponentiaalisesti enemmän tehokkuutta ja vähemmän lämpöä prosessissa. Ideaalisessa tilanteessa, toki.

Uusi maailma mahdollisuuksia

Sään ennustaminen, rahoitus- ja molekyylimallinnus, hiukkasfysiikka… soveltamismahdollisuudet kvanttilaskennalle ovat sekä valtavat että kannattavat.

Silti yksi mielenkiintoisimmista näkymistä on ehkä kvantti-tekoäly. Tämä johtuu siitä, että kvantti-järjestelmät ovat erittäin hyviä laskemaan todennäköisyyksiä monille mahdollisille valinnoille — niiden kyky antaa jatkuva palautetta älykkäälle ohjelmistolle on vertaansa vailla nykyisellä markkinalla. Arvioitu vaikutus on mitätön, ja se kattaa useita aloja ja teollisuudenaloja — älykkään ajoneuvon kehittämisestä lääketieteelliseen tutkimukseen. Lockheed Martin, yhdysvaltalainen ilmailu- ja puolustusjätti, ymmärsi nopeasti kvanttitietokoneen hyödyt ja johtaa esimerkkiä käyttämällä sitä autopilotti-ohjelmistojen testaamiseen. Otathan muistiin.

Kvanttimekaniikan periaatteita käytetään myös osoittamaan ongelmia kyberturvallisuudessa. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) -salakirjoitus, yksi maailman suosituimmista tietojen salaamistavoista, perustuu suurten alkulukujen jakamisen vaikeuteen. Vaikka tämä saattaa toimia perinteisissä tietokoneissa, jotka eivät ole erityisen tehokkaita monitekijäongelmien ratkaisemisessa, kvanttietokoneet rikkovat helposti nämä salaukset niiden ainutlaatuisen kyvyn laskea useita tuloksia samanaikaisesti.

Teoreettisesti kvantti-avainjakelu hoitaa tämän superposiitio-pohjaisella salaamisjärjestelmällä. Kuvittele, että yrität lähettää arkaluontoista tietoa ystävälle. Tämä edellyttää, että luot salaamisavaimen kvantti-biteillä, jotka lähetetään vastaanottajalle optisella kaapelilla. Jos koodatut kvantti-bittien olisi havainnut kolmas osapuoli, sekä sinä että ystäväsi olisitte saaneet odottamattoman virheen toiminnassa. Kuitenkin hyödyntääksesi QKD:n hyödyt, salaamisavaimien on säilyttävä kvantti-ominaisuuksiaan aina.

Ruokaa ajatuksille

Se ei lopu siihen. Maailman älykkäimmät mielet yrittävät jatkuvasti hyödyntää sidontaa kvantti-viestintätapana. Toistaiseksi kiinalaiset tutkijat pystyivät onnistuneesti lähettämään sidottuja fotonipareja Micius-satelliitilla ennätyksellisen 745 mailin matkan. Se on hyviä uutisia. Huono uutinen on, että kuudesta miljoonasta sidotusta fotoniparista, jotka lähetettiin joka sekunti, vain yksi pari selviytyi matkasta (kiitos dekoherenssi). Uskomaton saavutus kuitenkin, tämä koe piirtää sellaisen infrastruktuurin, jonka voimme käyttää tulevaisuudessa turvallisten kvantti-verkkojen luomiseen.

Kvantti-kilpailu näki myös äskettäisen murtovirtauksen QuTechista, tutkimuskeskuksesta TU Delftissä Alankomaissa — heidän kvantti-järjestelmänsä toimii lämpötilassa yli yhden asteen lämpötilassa absoluuttisen nollapisteen (-273 astetta Celsius) yläpuolella.

Vaikka nämä saavutukset saattavat tuntua sinulle ja minulle merkityksettömiltä, totuus on, että nämä uraauurtavat tutkimukset ovat tuomassa meitä askelen lähemmäs huomisen teknologiaa. Yksi asia on kuitenkin muuttumaton, ja se on kvanttimekaniikan voiman onnistuneen hallinnan johtama ylivalta muun maailman ylle. Miten luulet, että he käyttävät sitä?