כיצד מכניקת הקוונטים תשנה את תעשיית הטכנולוגיה

ריצ’רד פיינמן אמר פעם, “אם אתה חושב שאתה מבין מכניקת קוונטים, אז אתה לא מבין מכניקת קוונטים.” בעוד שזה עשוי להיות נכון, זה בהחלט לא אומר שאנו לא יכולים לנסות. בסופו של דבר, לאן היינו היינו ללא סקרנותנו הטבעית?

כדי להבין את כוחו של הלא ידוע, אנו הולכים לפרוק את המושגים המפתח מאחורי פיזיקת הקוונטים — שניים מהם, להיות מדויקים (פו!). זה כלל לא מוחשי, באמת, אבל זו בשורה טובה עבורנו, כי אתה לא צריך להיות פיזיקאי תאורטי זוכה פרס נובל כדי להבין מה קורה. ומה קורה? נראה.

הנחת היסוד

נתחיל עם ניסוי מחשבה קצר. הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר רוצה שתדמיין חתול בקופסה סגורה. עד כה, כללי. עכשיו תדמיין פקק שהכיל חומר קטלני הונח בתוך הקופסה. מה קרה לחתול? אנו לא יכולים לדעת בוודאות. כך, עד שהמצב ייצפה, כלומר אנו פותחים את הקופסה, החתול הוא שווה הן מת והן חי, או במונחים מדעיים יותר, הוא נמצא במצב על-פוזיציוני. ניסוי המחשבה המפורסם הזה ידוע בתור פרדוקס חתול שרדינגר, והוא מסביר בצורה מושלמת אחד משני התופעות העיקריות של מכניקת הקוונטים.

על-פוזיציוניות קובעת כי, בדומה לחתול האהוב שלנו, חלקיק קיים בכל המצבים האפשריים עד לרגע שהוא נמדד. “צפייה” בחלקיק מיד משמידה את תכונותיו הקוונטיות, והנה, הוא שוב נשלט על ידי חוקי המכניקה הקלאסית.

עכשיו, הדברים הולכים להיות מסובכים יותר, אבל אל תיבהל — אפילו איינשטיין הופתע מהרעיון. המתואר על ידי האיש עצמו כ”פעולה מוזרה במרחב”, קשר בין זוג חלקיקים — אינטראקציה פיזית שתוצאתה היא מצב משותף (או חוסר מצב, אם נלך לפי על-פוזיציוניות).

הקשר קובע כי שינוי במצבו של חלקיק מקושר גורם לתגובה מידית וצפויה מהחלקיק הנותר. כדי להציג את הדברים בפרספקטיבה, בואו נשליך שני מטבעות מקושרים באוויר. לאחר מכן, בואו נצפה בתוצאה. האם המטבע הראשון נחת על ערפים? אז מדידת המטבע הנותר חייבת להיות זנב. במילים אחרות, כאשר נצפים, חלקיקים מקושרים סותרים זה את מדידותיהם. אין צורך לפחד, עם זאת — הקשר לא כל כך נפוץ. עדיין, לא.

הגיבור המובטח

“מה הנקודה של כל ידע זה אם אני לא יכול להשתמש בו?”, אתה עשוי לשאול. כל שאלה שאתה יכול לשאול, סביר להניח שמחשב קוונטי הוא התשובה. במחשב דיגיטלי, המערכת דורשת ביטים כדי להגדיל את כוח העיבוד. כך, כדי להכפיל את כוח העיבוד, היית פשוט מכפיל את כמות הביטים — זה לא דומה במחשבים קוונטיים.

מחשב קוונטי משתמש בקיוביטים, יחידת המידע הקוונטית הבסיסית, כדי לספק יכולות עיבוד שאינן מושוות אפילו על ידי מחשבי-על החזקים בעולם. איך? קיוביטים על-פוזיציוניים יכולים לטפל בו-זמנית במספר תוצאות אפשריות (או מצבים, כדי להיות עקביים יותר עם החלקים הקודמים). לעומת זאת, מחשב דיגיטלי יכול לבצע רק חישוב אחד בזמן. כמו כן, דרך הקשר, אנו מסוגלים להגביר באופן אקספוננציאלי את כוחו של מחשב קוונטי, במיוחד כאשר משווים את זה ליעילות של ביטים מסורתיים במכונה דיגיטלית. כדי להדמות את הקנה, תדמיין את כמות כוח העיבוד שכל קיוביט מספק, ועכשיו הכפיל אותו.

שום דבר לא מושלם

אבל יש תפנית — אפילו הפעימות ושינויי הטמפרטורה הקטנים ביותר, המכונים על ידי המדענים “רעש”, יכולים לגרום לתכונות קוונטיות להתפוגג ולהיעלם לבסוף. בעוד שאתה לא יכול לצפות בזה בזמן אמת, מה שתחווה זהו שגיאת חישוב. התפוגגות התכונות הקוונטיות ידועה בתור דה-קוהרנטיות, וזה אחד המורדות הגדולים ביותר כאשר מדובר בטכנולוגיה המסתמכת על מכניקת הקוונטים.

בתרחיש אידיאלי, עיבוד קוונטי מבודד לחלוטין מהסביבה. כדי לעשות זאת, המדענים משתמשים במקררים מיוחדים, הידועים בתור מקררים קריוגניים. מקררים קריוגניים אלה קרים יותר מהחלל, והם מאפשרים לעיבוד הקוונטי שלנו לנוע עם כמעט אין התנגדות. זה ידוע בתור מצב על-מוליך, וזה הופך את מחשבי הקוונטים ליעילים מאוד. כתוצאה מכך, עיבוד הקוונטים שלנו דורש חלק קטן מהאנרגיה שמעבד דיגיטלי היה צריך, מייצר כוח עצום וחום מועט בתהליך. בתרחיש אידיאלי, כמובן.

עולם חדש של אפשרויות

תחזית מזג אוויר, מודלים פיננסיים ומולקולריים, פיזיקת חלקיקים… האפשרויות האפשרויות לחישוב קוונטי הן עצומות ומבטיחות.

עדיין, אחת ההזדמנויות המפתות ביותר היא אולי זו של בינה מלאכותית קוונטית. זה בגלל שמערכות קוונטיות מצטיינות בחישוב הסתברויות לכמה בחירות אפשריות — יכולתן לספק משוב רציף לתוכנה אינטליגנטית היא בלתי מושוות בשוק היום. ההשפעה המוערכת היא בלתי ניתנת למדידה, ומשתרעת על פני תחומים ותעשיות — מ-AI בתעשייה האוטומוטיבית ועד למחקר רפואי. לוקהיד מרטין, ענק האווירונאוטיקה האמריקני, היה מהר להבין את היתרונות, וכבר מוביל בדוגמה עם מחשב הקוונטים שלו, ומשתמש בו לבדיקת תוכנה לאוטופיילוט. קחו רשימות.

עקרונות מכניקת הקוונטים משמשים גם כדי לטפל בבעיות בתחום האבטחה הסייבר. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) קריפטוגרפיה, אחד השיטות המועדפות בעולם להצפנת נתונים, מסתמך על הקושי בפירוק (מאוד) מספרים ראשוניים גדולים. בעוד שזה עשוי לעבוד עם מחשבים מסורתיים, שאינם במיוחד יעילים בפתרון בעיות רב-גורמים, מחשבים קוונטיים ישברו בקלות את ההצפנות האלה בזכות יכולתם הייחודית לחשב מספר רב של תוצאות בו-זמנית.

באופן תאורטי, הפצה קוונטית של מפתח מטפלת בזה עם מערכת הצפנה המבוססת על על-פוזיציוניות. תדמיין שאתה מנסה לשדר מידע רגיש לחבר. כדי לעשות זאת, אתה יוצר מפתח הצפנה באמצעות קיוביטים, שאז נשלחים לנמען דרך כבל אופטי. האם הקיוביטים המוצפנים היו נצפים על ידי צד שלישי, הן אתה והן חברך הייתם מודעים לשגיאה בלתי צפויה בפעולה. אולם, כדי למקסם את היתרונות של QKD, מפתחות ההצפנה היו צריכים לשמור על תכונותיהם הקוונטיות בכל עת. קל לומר.

מזון למחשבה

זה לא עוצר שם. המוחות הבהירים ביותר ברחבי העולם מנסים תמיד לנצל קשר כאמצעי תקשורת קוונטית. עד כה, חוקרים סינים הצליחו להצליח לשדר בהצלחה זוגות פוטונים מקושרים דרך לוויין Micius למרחק שיא של 745 מייל. זו הבשורה הטובה. הבשורה הרעה היא שמתוך 6 מיליון פוטונים מקושרים שנשלחים כל שנייה, רק זוג אחד שרד את המסע (תודה, דה-קוהרנטיות). הישג מדהים כזה, עם זאת, מתאר את סוג התשתית שאנו עשויים להשתמש בה בעתיד כדי לאבטח רשתות קוונטיות.

המרוץ הקוונטי ראה התקדמות פריצת דרך לאחרונה מ-QuTech, מרכז מחקר ב-TU Delft בהולנד — מערכת הקוונטים שלהם פועלת בטמפרטורה של מעלה אחת מעלות מעל האפס המוחלט (-273 מעלות צלזיוס).

בעוד שהישגים אלה עשויים להראות מובנים עבורך ועבורי, האמת היא שניסיון אחר ניסיון, מחקר חדשני כזה מביא אותנו צעד אחד קרוב יותר לטכנולוגיה של מחר. דבר אחד נותר לא משתנה, עם זאת, והוא המציאות הבולטת שאלו שיצליחו לנצל בהצלחה את כוחה של מכניקת הקוונטים יהיו בעלי עליונות על שאר העולם. כיצד אתה חושב שהם ישתמשו בו?