Kuinka kvanttimekaniikka muuttaa teknologia-alaa

Richard Feynman sanoi kerran, ”Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä sitä.” Vaikka tämä saattaa olla totta, se ei tarkoita, ettemme voisi yrittää. Lopulta, missä olisimme ilman luonnollista uteliaisuuttamme?

Ymmärtääksemme tuntemattoman voiman, meidän on pureuduttava kvanttifysiikan taustalla oleviin avainkäsitteisiin — tarkalleen ottaen kahteen. Se on melko abstraktia, mutta se on hyviä uutisia meille, koska sinun ei tarvitse olla nobelin palkinnon saanut teoreettinen fyysikko ymmärtääksesi, mitä tapahtuu. Ja mitä tapahtuu? No, löytäköön me.

Perustan muodostaminen

Aloitan lyhyellä ajatuskokeella. Itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger (SDGR ) haluaa, että kuvittelet kissan suljetussa laatikossa. Tähän asti, kaikki hyvin. Nyt kuvittele, että myrkyllisen aineen pullo on asetettu laatikkoon. Mitä tapahtui kissalle? Emme voi tietää varmasti. Niinpä, kunnes tilanne havaitaan, eli avaat laatikon, kissa on sekä elossa että kuollut, tai tieteellisemmin sanottuna, se on superpositiossa. Tämä kuuluisa ajatuskoe on tunnettu Schrödingerin kissa -paradoksina, ja se selittää yhden kvanttimekaniikan kahdesta pääilmiöstä täydellisesti.

Superpositio määrää, että hiukkaset ovat kaikissa mahdollisissa tiloissa, kunnes ne mitataan. ”Havaitseminen” tuhoaa välittömästi hiukkasten kvanttiominaisuudet, ja voilà, ne noudattavat jälleen klassisen mekaniikan sääntöjä.

Asiat ovat nyt muuttumassa monimutkaisemmiksi, mutta älä lannistu — jopa Einstein oli hämmästynyt ajatuksesta. Hän kuvasi sitä ”outona etätoimintana”, ja se on yhteys kahden hiukkasten välillä — fyysinen vuorovaikutus, joka johtaa yhteiseen tilaan (tai sen puutteeseen, jos noudatamme superpositiota).

Entanglement määrää, että toisen entangle-hiukkasen tilan muutos laukaisee välittömän, ennustettavissa olevan vastauksen toisesta hiukkasesta. Esimerkiksi heittäessäsi kaksi entangle-kolikkoa ilmassa ja havaitessasi tuloksen, ensimmäisen kolikon päässä oleva tulos on ylöspäin, jolloin toisen kolikon mitattu tulos on alaspäin. Sanoin muistaen, entangle-hiukkaset vastaavat toistensa mittaustuloksia. Ei tarvitse pelätä, kuitenkaan — entanglement ei ole yleinen. Ainakaan vielä.

Todennäköinen sankari

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

Kvanttitietokone käyttää qubiteja, kvanttitiedon perusyksikköä, tarjotakseen prosessointikapasiteettia, jota maailman tehokkaimmilla super­tietokoneilla ei voida saavuttaa. Miten? Superpositio-qubitit voivat käsitellä useita mahdollisia tuloksia (tai tiloja, jotta olemme yhdenmukaisia aiempien osiemme kanssa) samanaikaisesti. Vertailukohtana, digitaalinen tietokone voi suorittaa vain yhden laskelman kerrallaan. Lisäksi, entanglementin kautta, voimme eksponentiaalisesti lisätä kvanttitietokoneen tehokkuutta, erityisesti verrattaessa tätä digitaalisen koneen bittien tehokkuuteen. Kuvittele, kuinka paljon prosessointikapasiteettia kunkin qubetin tarjoaa, ja kaksinkertaista se.

Ei mitään täydellistä

Mutta onneksi on catch — jopa pienimmät tärinät ja lämpötilan muutokset, joita tutkijat kutsuvat ”meluksi”, voivat aiheuttaa kvanttiominaisuuksien häviämisen ja lopulta niiden katoamisen kokonaan. Vaikka et voi havaita tätä reaaliajassa, mitä sinä kokevat, on laskennallinen virhe. Kvanttiominaisuuksien häviäminen on decoherenssi, ja se on yksi suurimmista esteistä teknologian kehittämisessä, joka perustuu kvanttimekaniikkaan.

Ideaalisessa tilanteessa kvanttiprosessori on täysin eristetty ympäristöstään. Tätä varten tutkijat käyttävät erikoistuneita jääkaappeja, joita kutsutaan kryo­genisiksi jääkaapeiksi. Nämä kryo­geniset jääkaapit ovat kylmempiä kuin tähtiavaruus, ja ne mahdollistavat kvanttiprosessorin johtaa sähköä lähes vastuksitta. Tämä on super­johtava tila, ja se tekee kvanttitietokoneista erittäin tehokkaita. Tuloksena, kvanttiprosessori tarvitsee vain murto­osan siitä energiasta, mitä digitaalinen prosessori vaatisi, ja se tuottaa eksponentiaalisesti enemmän tehoa ja vähemmän lämpöä prosessissa. Ideaalisessa tilanteessa, kuitenkin.

Uusi maailma mahdollisuuksia

Sääennustus, taloudellinen ja molekyylimallinnus, hiukkasfysiikka… soveltamismahdollisuudet kvanttilaskennalle ovat sekä valtavat että kannattavat.

Toistaiseksi yksi mielenkiintoisimmista näkymistä on ehkä kvantti­tekoäly. Tämä johtuu siitä, että kvantti­järjestelmät ovat erittäin hyviä laskemaan todennäköisyyksiä useille 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 — älykkäät järjestelmät auto­teollisuudessa aina lääketieteelliseen tutkimukseen asti. Lockheed Martin (LMT ), yhdysvaltalainen ilmailu- ja avaruusteollisuuden jättiläinen, oli nopea havaitsemaan kvanttitietokoneen hyödyt ja johtaa esimerkkiä käyttämällä sitä autopilotti-ohjelmistojen testaamiseen. Otapa muistiin.

Kvanttimekaniikan periaatteita käytetään myös tietoturvaongelmien ratkaisemiseen. RSA-salaus, yksi maailman suosituimmista tietojen salaamistavoista, perustuu suurten alkulukujen jakamisen vaikeuteen. Vaikka tämä toimii perinteisillä tietokoneilla, jotka eivät ole erityisen tehokkaita monimutkaisten ongelmien ratkaisemisessa, kvanttitietokoneet rikkovat helposti nämä salaukset niiden ainutlaatuisen kyvyn laskea useita tuloksia samanaikaisesti.

Teoreettisesti kvanttiavainjakelu hoitaa tämän superpositio-pohjaisella salausjärjestelmällä. Kuvittele, että yrität lähettää arkaluontoista tietoa ystävälle. Tehdäksesi niin, luot salausavaimen qubiteilla, jotka lähetetään vastaanottajalle optisen kaapelin kautta. Jos koodatut qubitit olisivat havaittu kolmannen osapuolen toimesta, sekä sinä että ystäväsi olisitte saaneet odottamattoman virheen toiminnassa. Kuitenkin, hyödyksi kvanttiavainjakelun hyödyntämiseksi, salausavaimien on säilyttävä kvanttiominaisuutensa aina.

Ruokaa ajattelulle

Se ei lopu siihen. Maailman terävimmät älymukat yrittävät jatkuvasti hyödyntää entanglementia kvantti­viestintänä. Toistaiseksi kiinalaiset tutkijat onnistuivat lähettämään onnistuneesti entangle-fotoneja Micius-satelliittinsa kautta ennätyksellisen 745 mailin matkan. Se on hyviä uutisia. Huono uutinen on, että vain yksi pariskunta entangle-fotoneista selviytyi matkasta (kiitos decoherenssi). Uskomaton saavutus kuitenkin, tämä koe osoittaa, minkälaisen infrastruktuurin voimme käyttää tulevaisuudessa turvallisten kvantti­verkkojen luomiseen.

Kvantti­kilpailu näki myös äskettäin mullistavan edistysaskeleen QuTechin toimesta, tutkimuskeskukselta TU Delftistä Alankomaissa — heidän kvantti­järjestelmänsä toimii lämpötilassa, joka on yli asteen lämpötila absoluuttisen nollapisteen yläpuolella (-273 astetta Celsius).

Vaikka nämä saavutukset voivat tuntua sinusta ja minusta merkityksettömiltä, totuus on, että yrittäessään, tällaiset uraauurtavat tutkimukset tuovat meidät askelen lähemmäs huomisen teknologiaa. Yksi asia on kuitenkin muuttumaton, ja se on kvanttimekaniikan voiman onnistuneen hallinnan aiheuttama ilmiselvä todellisuus, jossa ne, jotka hallitsevat sen voiman, saavat ylivallan maailmassa. Miten luulet, että he käyttävät sitä?